(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子を表わす各球体には単数又は複数の嵌合手段を備えさせ、該嵌合手段は複数の溝部を該嵌合手段の中心部から平面視放射状に形成することにより相互に隣り合う溝部と溝部との間に楔部を残存させてなり、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における溝部に嵌脱自在に嵌合させることにより複数の球体を分離自在に相互に結合させるようにしたことを特徴とする分子模型。
【請求項２】
前記各球体の嵌合手段においては、前記各溝部がそれぞれ同一の角度幅を備え、前記各楔部がそれぞれ同一の角度幅を備え、かつ、各溝部の角度幅と各楔部の角度幅とが相互に同一になるようにすると共に、相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との合計角度が結合回転角の公約数に相当する角度となし、以て、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における任意の溝部に嵌脱自在に嵌合させることができると共に、各球体を分子構造上相応しい配座の分子構造にさせることができるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の分子模型。
【請求項３】
相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との前記合計角度は、３０度、１５度、１０度、６度又は５度であることを特徴とする請求項２に記載の分子模型。
【請求項４】
前記嵌合手段における前記中心部からの半径と前記溝部の深さとを調整することにより、各球体間の結合距離を該球体が表わす原子間の結合距離に対応させるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分子模型。
【請求項５】
前記嵌合手段には該嵌合手段に対し嵌脱自在のカバーを備えさせたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分子模型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として中学校、高等学校、大学等における化学教育に用いられる分子模型に関するものであり、更に詳しくは、目に見えない原子や分子の立体化学について、原子や分子の大きさ、分子構造等の特徴を視覚化、具象化して、その理解を助けるようにした化学教育用の教具としての分子模型に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
分子模型としては、例えば下記のものが既に知られている。
【０００３】
（ａ）球棒モデル
原子を表わす各球体に連結孔を形成し、連結棒の両端を各球体の連結孔に挿嵌することにより各球体を連結してなる分子模型。
【０００４】
（ｂ）針金モデル
結合距離を正確に表わす針金よりなる分子模型。球体は用いられない。
【０００５】
（ｃ）スチュアート模型（空間充填模型）
原子を表わす各球体の一部を切除して結合面を形成し、各球体の結合面を連結部材等の接合手段により相互に結合してなる分子模型。
【０００６】
（ｄ）特許第２５１９５６２号の分子模型
各々結合用スリットを備えた所定寸法の円形板３〜４枚を各結合用スリットにより立体的な球状構造に組み立てることにより各原子模型を形成し、各原子模型を必要に応じて結合用スリットにより他の所定の原子模型と着脱自在に組み合わせることにより分子模型を形成し得るようにした分子模型。
なお、この分子模型は、本出願人（発明者）が提供したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５１９５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の分子模型には下記の如き問題がある。
【０００９】
（ａ）球棒モデル
実際の原子間結合には存在しない連結棒を用いているため、初学者には原子相互の実際の結合状態が正しく理解し難い場合がある。
【００１０】
（ｂ）針金モデル
実際にはあるべき原子の球体がなく、逆に存在しない針金よりなるものであるため、初学者には原子相互の結合状態が理解し難い場合がある。
【００１１】
（ｃ）スチュアート模型（空間充填模型）
実際の原子は、その電子雲が重なり合って結合するものであるが、スチュアート模型は原子を表わす各球体の一部を切除して結合面を形成し、各球体の該結合面を連結部材等の接合手段により相互に結合してなるものである。すなわち、スチュアート模型は、真の球体と実際の原子間の結合状態とを正しく表わすものではない。
【００１２】
（ｄ）特許第２５１９５６２号の分子模型
この分子模型は、原子模型が相互に重なり合って結合するという点においては実際の原子の結合状態を好ましく表現するものではあるが、結合用スリットを回動軸として原子模型を回動（本願において「回動」とは角度を変更することをいう。）させることができないため、分子内における任意の配座の分子構造を設定することができない場合がある。また、この分子模型は、原子の球体を正しく表現していない。
【００１３】
本発明は、従来の分子模型における上述の如き課題を解決し、実際の原子間結合を具体的に実感することができるだけでなく、分子模型を構成する各原子の球体を学習者が自ら所望の分子に組み立てることができると共に、一旦組み立てた分子模型を学習者が自ら分解し、結合部を中心に回動して所望の配座の分子構造に組み替えることができるようにした分子模型を提供しようとしてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、下記の分子模型を提供する。
【００１５】
（１）原子を表わす各球体には単数又は複数の嵌合手段を備えさせ、該嵌合手段は複数の溝部を該嵌合手段の中心部から平面視放射状に形成することにより相互に隣り合う溝部と溝部との間に楔部を残存させてなり、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における溝部に嵌脱自在に嵌合させることにより複数の球体を分離自在に相互に結合させるようにしたことを特徴とする分子模型（請求項１）。
【００１６】
（２）前記各球体の嵌合手段においては、前記各溝部がそれぞれ同一の角度幅を備え、前記各楔部がそれぞれ同一の角度幅を備え、かつ、各溝部の角度幅と各楔部の角度幅とが相互に同一になるようにすると共に、相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との合計角度が各原子の結合回転角（下記定義参照。）の公約数に相当する角度となし、以て、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における任意の溝部に嵌脱自在に嵌合させることができると共に、各球体を分子構造上相応しい配座の分子構造にさせることができるようになす（請求項２）。
【００１７】
本出願において「結合回転角」とは、原子を表わす一つの球体（１）の表面における各嵌合手段（３）（３）の中心部（７）（７）間を相互に結ぶ二本の円弧状罫線（１１）（１１）により形成される角度をいうものとする。例えば、図１１における「結合回転角」（１３）は、原子を表わす一つの球体（１）の表面において、第一の嵌合手段（３ａ）の中心部（７ａ）と第二の嵌合手段（３ｂ）の中心部（７ｂ）とを結ぶ第一の円弧状罫線（１１ａｂ）と、当該第一の嵌合手段（３ａ）の中心部（７ａ）と第三の嵌合手段（３ｃ）の中心部（７ｃ）とを結ぶ第二の円弧状罫線（１１ａｃ）との間の角度である。
因みに、同図において、第一の嵌合手段（３ａ）の中心部（７ａ）と球体（１）の中心（ｏ）とを結ぶ直線（１５）と、該球体（１）の中心（ｏ）と第三の嵌合手段（３ｃ）の中心部（７ｃ）とを結ぶ直線（１７）との間の角度（１９）は結合角である。
【００１８】
（３）相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との前記合計角度は、３０度、１５度、１０度、６度又は５度である（請求項３）。
【００１９】
（４）前記嵌合手段における前記中心部からの半径と前記溝部の深さとを調整することにより、各球体間の結合距離を該球体が表わす原子間の結合距離に対応させる（請求項４）。
【００２０】
（５）前記嵌合手段には該嵌合手段に対し嵌脱自在のカバーを備えさせる（請求項５）。
【発明の効果】
【００２１】
［請求項１の発明］
原子を表わす各球体には単数又は複数の嵌合手段を備えさせ、該嵌合手段は複数の溝部を該嵌合手段の中心部から平面視放射状に形成することにより相互に隣り合う溝部と溝部との間に楔部を残存させてなり、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における溝部に嵌脱自在に嵌合させることにより複数の球体を分離自在に相互に結合させるようにしたため、この分子模型は、実際の原子がその電子雲を重なり合わせて原子間結合する形態と同様の結合形態を表わすことができ、学習者は実際の原子間結合を具体的に実感することができる。
【００２２】
原子を表わす各球体は、連結部材等を使用することなく、嵌合手段により嵌脱自在に結合させることができるため、分子模型を極めて容易に、かつ、短時間で作成することができる。このため、複数の球体を相互に結合させた後、これらの球体を分離し、更に再び結合させることもできる。加えて、該嵌合手段は大型の球体と小型の球体とを支障なく結合させることができ、実際の化学変化の化合、分解等の状況を容易に体現させることができる。
【００２３】
各球体は、連結部材等を使用することなく、嵌合手段により嵌脱自在に結合させることができるため、この分子模型は部品数が少なく、製造コストが低い。
【００２４】
［請求項２の発明］
各球体の嵌合手段においては、前記各溝部がそれぞれ同一の角度幅を備え、前記各楔部がそれぞれ同一の角度幅を備え、かつ、各溝部の角度幅と各楔部の角度幅とが相互に同一になるようにしたため、各球体の嵌合手段における各楔部を別の球体の嵌合手段における任意の溝部に嵌脱自在に嵌合させることができる。
【００２５】
更に、各球体の嵌合手段においては、相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との合計角度が結合回転角の公約数に相当する角度であるため、各球体を分子構造上相応しい配座の分子構造にて結合させることができる。すなわち、学習者は、当初から各球体を分子構造上想定されるいろいろな配座の分子構造にすることができるだけでなく、このように一旦組み立てた各球体を分解した後、球体を嵌合手段の中心部を回動中心として回動させて所望する別の配座の分子構造に組み替えることができる。
【００２６】
相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との合計角度が結合回転角の公約数に相当する角度であるという点について、下記に詳説する。
【００２７】
図９に示す対角線型の立体配置における結合回転角は、１８０度である。
図１０に示す正三角形型の立体配置における結合回転角は、１８０度である。
図１１に示す正四面体型の立体配置における結合回転角は、１２０度である。
図１２に示す正方形型の立体配置における結合回転角は、１８０度である。
図１３に示す三角両錐型の立体配置における結合回転角は、１２０度及び９０度である。
図１４に示す正八面体型の立体配置における結合回転角は、９０度である。
【００２８】
しかして、分子構造上の立体配置的な問題として、結合している分子同士の立体的障害、すなわち隣り合う原子と原子との相互作用、のため、上記結合回転角である９０度、１２０度、１８０度の中間の角度で安定して配座の分子構造をとる場合もある。すなわち、４５度、６０度、９０度もあり得る。ただ、配座による異性体を扱う化学教材において、９０度の中間の４５度を話題にすることは殆どないため、６０度、９０度、１２０度、１８０度に対応することができる分子模型であれば良いといえる。
【００２９】
ところで、球体を嵌合手段の中心部を回動中心として回動させて所望の配座の分子構造を得る際には、該球体は、相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との合計角度を単位として、回動させるのであるから、当該合計角度は６０度、９０度、１２０度、１８０度の公約数となる角度でなければならない。すなわち、当該合計角度は３０度、１５度、１０度、６度、５度、３度、２度のいずれかでなければならない。
【００３０】
因みに、当該合計角度を３０度とした場合には、６０度、９０度、１２０度、１８０度の結合回転角を主体とした対角線型、正三角形型、正四面体型の立体配置の分子構造をとる炭素を中心とした有機化合物の配座異性体等の各種異性体に十分に対応させることができる。また、鉄や銅等の無機化合物がとる正方形型、三角両錐型及び正八面体型の立体配置についても、その結合角度が９０度、１２０度、１８０度であるため、通常の分子構造には十分対応可能であると思われる。
【００３１】
［請求項３の発明］
上述の如く、相互に隣接する溝部の角度幅と楔部の角度幅との前記合計角度は、３０度、１５度、１０度、６度、５度、３度、２度のいずれかでなければならないのであるが、球体の強度を考慮すれば、当該合計角度は３０度、１５度、１０度、６度又は５度であることが望ましい。
【００３２】
［請求項４の発明］
嵌合手段における中心部からの半径と溝部の深さとを調整することにより、各球体間の結合距離を該球体が表わす原子間の結合距離に対応させることができるようにしたため、学習者は各分子特有の原子間結合距離に対応する結合距離を備えた分子模型を得ることができる。
【００３３】
［請求項５の発明］
嵌合手段には該嵌合手段に対し嵌脱自在のカバーを備えさせているため、イオン化、配位結合等により結合数が増加する原子については、孤立電子対（非共有電子対）の嵌合手段を予め形成しておき、常時は該嵌合手段を該カバーにより塞いだ状態となし、必要時にのみ該カバーを取り外して該嵌合手段を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、原子を表わす球体の斜視図である。
【図２】図２は、同上球体の正面図である。
【図３】図３は、同上球体の平面図である。
【図４】図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
【図５】図５は、図３のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】図６は、球体の嵌合手段の一部を切除した状態を示す正面図である。
【図７】図７は、二つの球体を結合させた状態を示す正面図である。
【図８】図８は、アンモニア分子を表わす分子模型とカバーとを示す斜視図である。
【図９】図９は、対角線型に立体配置した嵌合手段数２の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【図１０】図１０は、正三角形型に立体配置した嵌合手段数３の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【図１１】図１１は、正四面体型に立体配置した嵌合手段数４の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【図１２】図１２は、正方形型に立体配置した嵌合手段数４の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【図１３】図１３は、三角両錐型に立体配置した嵌合手段数５の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【図１４】図１４は、正八面体型に立体配置した嵌合手段数６の原子を表わす球体と嵌合手段とを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
符号１に示すものは原子を表わす球体である。球体１は、例えばＡＢＳ樹脂等の合成樹脂により形成する。
【００３６】
各球体１には単数又は複数の嵌合手段３を備えさせる。該嵌合手段３は、複数の溝部５、５・・・を該嵌合手段３の中心部７から平面視放射状に形成することにより相互に隣り合う溝部５と溝部５との間に楔部９を残存させてなるものである。
【００３７】
各球体１の嵌合手段３における各楔部９、９・・・を別の球体１の嵌合手段３における溝部５、５・・・に嵌脱自在に嵌合させることにより複数の球体１、１・・・を分離自在に相互に結合させるようになす。
【００３８】
各球体１の嵌合手段３においては、前記各溝部５、５・・・がそれぞれ同一の角度幅６を備え、前記各楔部９、９・・・がそれぞれ同一の角度幅６’を備え、かつ、各溝部５の角度幅６と各楔部９の角度幅６’とが相互に同一になるようにし、以て、各球体１の嵌合手段３における各楔部９、９・・・を別の球体１の嵌合手段３における任意の溝部５、５・・・に嵌脱自在に嵌合させることができるようになす。図３参照。
【００３９】
更に、各球体１の嵌合手段３においては、相互に隣接する溝部５の角度幅６と楔部９の角度幅６’との合計角度６ａが結合回転角１３の公約数に相当する角度となし、各球体１を分子構造上相応しい配座の分子構造にさせることができるようになす。
【００４０】
相互に隣接する溝部５の角度幅６と楔部９の角度幅６’の前記合計角度６ａは、好ましくは、３０度、１５度、１０度、６度又は５度である。
【００４１】
なお、前述の如く、球体１を嵌合手段３の中心部７を回動中心として回動させて所望の配座の分子構造を得る際には、該球体１は、相互に隣接する溝部５の角度幅６と楔部９の角度幅６’との合計角度６ａを単位として、回動させるのである。したがって、嵌合手段１における溝部５と楔部９との配列は、前記円弧状罫線１１を基準として、すべての球体１について共通でなければならない。すなわち、図９〜図１４に示すように、一つの溝部５又は楔部９の一側縁を円弧状罫線１１に一致させた状態で、時計方向又は反時計方向に、溝部５と楔部９とを交互に配設する。
【００４２】
嵌合手段３における中心部７からの半径２１（図３参照。）と溝部５の深さ２３（図５参照。）とを調整することにより、各球体１、１間の結合距離を該球体１、１が表わす原子間の結合距離に対応させる。図６に示す事例においては、嵌合手段３における中央部２４を切除することにより、溝部５の深さ２３を浅くしている。
【００４３】
嵌合手段３における中心部７からの半径２１と溝部５の深さ２３とは、各原子ごとの結合距離の値に応じて定める。 
（結合距離の値  nm） 
H−H のH：0.074       O−OのO：0.121       N−N  のN：0.110 
C−C のC：0.154       C ＝C の C：0.140       C ≡C  のC：0.120 
Cl−ClのCl：0.200 
【００４４】
なお、各球体１、１間の結合距離を球体１の倍率（一例として１億倍）よりやや大きく（一例として1.5億倍）すると、溝部５の深さ２３を浅めに調整することができ、各球体１の製作が容易になる。
【００４５】
嵌合手段３には、好ましくは、該嵌合手段３に対し嵌脱自在のカバー２５を備えさせる。図８参照。該カバー２５は、嵌合手段３の溝部５、５・・・に対し嵌脱自在の楔部９’を備えている。
【００４６】
水素、酸素、チッ素、炭素等の各種原子を表わす各球体１の嵌合手段３は、当該原子の混成軌道により定まる立体配置に基づいて、各球体１に必要数配設する。図９〜図１４参照。
【００４７】
原子を表わす球体１は、次に示す各種原子のファンデルワールス半径に比例した大きさを備えさせるものとする。 
（主な原子のファンデルワールス半径nm） 
H：0.012   N：0.015  O：0.014  Cl：0.018  C：0.017・・・・ 
【００４８】
各種原子を表わす球体１を製作する際には、球体１に形成する嵌合手段３の位置関係、ファンデルワールス半径の１億倍とした場合の球体１の半径（mm）、さらに原子間の結合距離を1.5億倍とした場合の溝部５の深さ２３と嵌合手段３の半径２１とを、下記の通りとする。
【００４９】
（１）水素原子   
1S電子軌道の水素原子は、球体１の１箇所に嵌合手段３を備えさせた図１、図２に示す球体１とする。
球体の半径：12mm    溝部の深さ：11mm    嵌合手段の半径：10mm
【００５０】
（２）炭素原子（一重結合型）
SP3混成軌道の炭素原子は、嵌合手段３を４箇所に備えさせた図１１に示す球体１により表わされる。
嵌合手段３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにおける中心部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ間の球面上の距離は、
2πR×109.5°／360°＝1.91・R mm  （R:半径）
とする。
嵌合手段３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにおける中心部７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ間の球面上の結合回転角（∠７ａ・７ｂ・７ｃ等）を１２０度とすることにより、正四面体型の結合構造が得られる。
球体の半径：17mm    溝部の深さ：12mm    嵌合手段の半径：13mm
【００５１】
（３）炭素原子（二重結合・共鳴構造型）
SP2混成軌道の炭素原子は、球体表面の同一円周上に嵌合手段３を３箇所に備えさせた図１０に示す球体１により表わされる。球体１表面の嵌合手段３ａ、３ｂ、３ｃにおける中心部７ａ、７ｂ、７ｃ間の間隔は、球体１の最大円周の１／３とすることにより、正三角形型の結合構造が得られる。
球体の半径：17mm     溝部の深さ：14mm    嵌合手段の半径：15mm
【００５２】
（４）炭素原子（三重結合型）
SP混成軌道の炭素原子は、球体１の中心を貫く直線の両端に対応する球体１上の位置に嵌合手段３をそれぞれ備えさせた図９に示す球体１により表わされる。一方の嵌合手段３ａは上記（２）炭素原子（一重結合）の嵌合手段と同様とし、他方の嵌合手段３ｂは三重結合を模して次のようにする。
球体の半径：17mm     溝部の深さ：17mm    嵌合手段の半径：16mm 
【００５３】
（５）酸素原子（一重結合型）     
SP3混成軌道の酸素原子は、嵌合手段３を４箇所に備えさせた図１１に示す球体１とするが、嵌合手段は２箇所のみとする。
球体の半径：14mm     溝部の深さ：10mm    嵌合手段の半径：11mm
【００５４】
（６）酸素原子（共鳴構造型） 
SP2混成軌道の酸素原子は、球体表面の同一円周上に嵌合手段３を３箇所に備えさせた図１０に示す球体１とするが、嵌合手段は２箇所のみとする。
球体の半径：14mm     溝部の深さ：10mm    嵌合手段の半径：11mm
【００５５】
（７）チッソ原子（一重結合型）   
SP3混成軌道のチッ素原子は、通常の結合数は３である。イオン化や配位結合する場合は結合数４となる。そこで、嵌合手段３を４箇所に備えさせた図１１に示す正四面体型立体配置の球体１をチッソ原子として用い、通常は孤立電子対部分の嵌合手段３をカバー２５により塞ぎ、結合数を３とする。
球体の半径：15mm      溝部の深さ：11mm   嵌合手段の半径：12mm
【００５６】
（８）チッソ原子（共鳴構造型） 
SP2混成軌道のチッソ原子は、球体表面の同一円周上に嵌合手段３を３カ所に備えさせた図１０に示す球体１とする。
球体の半径：15mm      溝部の深さ：11mm   嵌合手段の半径：12mm
【００５７】
（９）塩素原子模型 
塩素原子は、球体の一箇所に嵌合手段３を備えさせた図１、図２に示す球体とする。
球体の半径：18mm      溝部の深さ：10mm   嵌合手段の半径：12mm
【００５８】
（１０）その他の球体 
dSP2混成軌道の銅やニッケル原子など、結合数４の正方形型の原子の場合は、図１２に示す球体１に基づいて製作する。
SP3d混成軌道のリン原子など、結合数５の三角両錐型の原子の場合は、図１３に示す球体１に基づいて製作する。
d2SP3混成軌道やSP3d2混成軌道の鉄原子、硫黄原子、銅原子など、結合数６の正八面体型の原子の場合は、図１４に示す球体１に基づいて製作する。
【符号の説明】
【００５９】
１  球体
３  嵌合手段
５  溝部
６  角度幅
６’  角度幅
６ａ  合計角度
７  中心部
９  楔部
９’  楔部
１１  円弧状罫線
１３  結合回転角
１５  直線
１７  直線
１９  角度
２１  半径
２３  深さ
２４  中央部
２５  カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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