(57)【要約】【課題】酸素原子と水素原子とが結合した水素結合による分子構造を表すことができ、水の特性を視覚的に解り易く解説することが可能である。【解決手段】水の分子構造を立体的に表す分子構造模型１であって、発泡スチロールなどの軽量部材で形成した酸素原子を表す球体Ａの表面に、結合離脱自在のカップリング部材Ｂ，Ｃを複数個取り付け、このカップリング部材Ｂ，Ｃの一方を酸素原子と分子結合する水素原子として水の単位分子を構成し、この水の単位分子を前記カップリング部材を介して規則的に結合組み合わせて氷の結晶構造を表現し、カップリング結合を解離した状態をもって水の状態を表現するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子の構造を立体的に表す分子構造模型であって、
発泡スチロールなどの軽量部材で形成した元素Ｘの原子を表す球体Ａの表面に、結合離脱自在のカップリング部材Ｂ，Ｃを複数個取り付け、球体Ａを元素Ｘの原子を表し、カップリング部材Ｂ，Ｃの一方を元素Ｘと分子結合する元素Ｙの原子を表し、他方を元素Ｘの結合触手（結合腕）を表すように構成したことを特徴とする分子構造模型。
【請求項２】
前記カップリング部材Ｂ，Ｃが、磁石同士又は磁石と磁性体との組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の分子構造模型。
【請求項３】
前記分子構造模型を一単位とし、これを複数個組み合わされてなり、一方の分子構造模型のカップリング部材Ｂと他方の分子構造模型のカップリング部材Ｃとを結合組み合わせることによって、複数単位の分子構造模型の組み合わせ構造体を構成しこれをもって固体の結晶状態を表し、この組み合わせ構造体に外力を加えることによって前記カップリング部材Ｂ，Ｃ間のカップリング結合を解離させ、分子結合が切れた遊離集合状態を表すことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の分子構造模型。
【請求項４】
水の分子構造を立体的に表す分子構造模型であって、
発泡スチロールなどの軽量部材で形成した酸素原子を表す球体Ａの表面に、結合離脱自在のカップリング部材Ｂ，Ｃを複数個取り付け、このカップリング部材Ｂ，Ｃの一方を酸素原子と分子結合する水素原子として水の単位分子を構成し、この水の単位分子を前記カップリング部材を介して規則的に結合組み合わせて氷の結晶構造を表現し、前記カップリング結合を解離した状態をもって水の状態を表現するようにしたことを特徴とする水の分子構造模型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、大学や企業などの教材として用いる分子構造模型に関する。例えば、酸素原子と水素原子が結合した水の分子構造を模式的に表す分子構造模型の新規な構成を提供するもので、水の分子が固体（氷）から液体（水）に相変化するとき密度（体積）が変化する状態を、視覚的に解り易く解説する場合などに有効な分子模型である。
【０００２】
【従来の技術】
分子構造模型は、分子構造を立体的に表わすものであり、主として、物理学や化学などの教材として使用されており、分子概念の把握や物理・化学や物性を理解する際に極めて重要な役割を果すものである。一般に、この分子構造模型は、プラスチックなどで製作した原子の模型を、複数個組み合わせることにより分子の構造を立体的に表現している。
【０００３】
従来のこの種の分子構造模型は、元素間の結合状態を視覚的に判り易く説明するために、結合触手を棒状の部材で表わし、この棒体を元素を示す球体に差し込んで元素同士の結合を表示するように構成したものが多い。例えば、特許文献１の発明は、図６に示す通り、発泡スチロールやプラスチックで形成した複数の原子模型１００を、棒状体１０２を介して相互に結合することによって、原子間の分子結合を示すもので、原子模型１００の表面に複数個の挿入孔１０１を設けておき、結合触手を表す接続棒１０２をこの孔に挿入することによって、分子の模型を構成している。
【０００４】
基本的な分子の一つとして水の分子（Ｈ２Ｏ）を学習することが大切であるが、水の性質は、通常の物質と異なり特異な性質を有する。すなわち、通常の物質は、固体は液体に比して密度が大きいのに対し、水に関しては、固体は液体に比して密度が小さいという特異性を有する。この特異性は、次の理由による。
【０００５】
液体（水）が固体（氷）になる際、隣接する水分子（Ｈ２Ｏ）同士が水素結合（Ｏ−Ｈ）するが、この結合角度は決まっているので、密度の小さい構造に形成される。従って、固体（氷）の分子構造は、液体（水）の分子構造に比して隙間が大きく、密度が大きい構造であると共に、液体（水）の分子構造に比して不安定な構造である。そのため、固体（氷）に圧力を加えれば、各水分子（Ｈ２Ｏ）は結合を維持することができずばらばらになり、密度の大きな水に変化する。水は身近にあり、必要不可欠な物質であるため、水の特異性を理解することは非常に重要である。
【０００６】
しかし、上記の通り、従来の分子構造模型は、複数の分子構造模型を接続棒で結合した比較的堅牢な構造であるので、容易にこれを分解することが困難である。従って、分子間の結合の解離を実感的に観察するには不適当である。即ち、分子間の結合が切断された際の分子や原子を表現することができない。そのため、固体（氷）に圧力を加えることにより、水分子（Ｈ２Ｏ）の結合が切断され、それによって、液体（水）に変化して、密度が大きくなるという水の特異性を表現することができない。また、従来の分子構造模型は、原子同士の「結合距離」を正確に表現することに重点が置かれているので、例えば、図６の従来の分子模型では、原子模型１００は原子の大きさを表現しておらず、接続棒１０２を外すと原子・分子の大きさを表現することができない。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２０２２６０号公報
【非特許文献１】
名古屋大学消費生活協同組合、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１５年３月２０日検索］、インターネットホームページ＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｏｐ．ｎａｇｏｙａ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｂｏｏｋ／ｈｇｓ／＞
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記した問題点に鑑み、元素や分子間の結合を「係合離脱自在のカップリング部材」によって表現するようにした点が特徴であり、従来のような棒状の触手を使わないため、僅かの外力で元素間の結合解離を具現することができる外、その間のカップリング作用を利用して、次々と容易に原子間結合体を構成することができる。例えば酸素原子と水素原子とが結合した水素結合による分子構造を表すことができ、上記した水の特性を視覚的に解り易く解説することのできる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分子構造模型は、分子の構造を立体的に表す分子構造模型であって、発泡スチロールなどの軽量部材で形成した元素Ｘの原子を表す球体Ａの表面に、結合離脱自在のカップリング部材Ｂ，Ｃを複数個取り付け、球体Ａを元素Ｘの原子を表し、カップリング部材Ｂ，Ｃの一方を元素Ｘと分子結合する元素Ｙの原子を表し、他方を元素Ｘの結合触手（結合腕）を表すように構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の主要部であるカップリング部材Ｂ，Ｃは、例えば円盤状磁石と円盤状磁性体とからなるカップリング部材が望ましいが、簡単にワンタッチで結合でき、若干の外力で容易に解離できるカップリング材、例えばマジックチャックや簡単なフックを利用したカップリング接手など各種の部材が適用できる。
【００１１】
また、分子構造模型を一単位とし、これを複数個組み合わされてなり、一方の分子構造模型のカップリング部材Ｂと他方の分子構造模型のカップリング部材Ｃとの結合によって、複数単位の分子構造模型の組み合わせ構造体を構成しこれをもって固体の結晶構造を表し、この組み合わせ構造体に外力を加えることによって前記カップリング部材Ｂ，Ｃの結合を解離させ、分子結合が切れた液体状態を表すようにすることもできる。
【００１２】
本発明に係る水の分子構造模型は、発泡スチロールなどの軽量部材で形成した酸素原子を表す球体Ａの表面に、結合離脱自在のカップリング部材Ｂ，Ｃを複数個取り付け、このカップリング部材Ｂ，Ｃの一方を酸素原子と分子結合する水素原子として水の単位分子を構成し、この水の単位分子を前記カップリング部材を介して規則的に結合組み合わせて氷の結晶構造を表現し、前記カップリング部材を解離した状態をもって水の状態を表現するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の一実施例を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施例として水の分子（Ｈ２Ｏ）を示す分子構造模型の一例で、酸素元素（Ｏ）の原子を表す球体Ａに、２つの磁石Ｂ，Ｂ’と、２つの鉄片などの磁性体Ｃ，Ｃ’とを取り付けたものであって、磁石Ｂ，Ｂ’は水素元素（Ｈ）の原子を表し、磁性体Ｃ，Ｃ’は酸素元素（Ｏ）の結合触手（結合腕）を表す。この球体Ａは、直径が約３ｃｍの球状であって、発泡スチロールなどの軽量プラスチックで形成された軽量な部材である。そして、磁石Ｂ，Ｂ’及び磁性体Ｃ，Ｃ’は、厚みが約１ｍｍ、直径が約１ｃｍの平板状であって、一方がマグネット製、他方が鉄製である。
【００１５】
そして、図１Ａに示す通り、磁石Ｂ，Ｂ’及び磁性体Ｃ，Ｃ’は、球体Ａに等間隔に取り付けられており、その角度θ１，θ２は、球体Ａを中心に約１０４度の角度で配置されている。また、識別が容易なように、磁石Ｂ，Ｂ’を青色に、磁性体Ｃ，Ｃ’を黄色に着色している。なお、これらの寸法構成は一例であるので、当然上記の寸法に限定するものではない。
【００１６】
図２は、分子構造模型を複数個結合した状態、即ち分子模型の組合わせ構造体の一例を示す斜視図である。図２Ａは５個の分子構造模型１を結合した状態、図２Ｂは１１個の分子構造模型１を結合した組合わせ構造体の一例を示す。複数個の分子構造模型１は、磁石Ｂと磁性体Ｃとの磁気結合によって構成されている。即ち、複数個の水分子（Ｈ２Ｏ）が、原子間（Ｏ・Ｈ）の水素結合（Ｏ−Ｈ）によって結合された分子構造を表すものである。
【００１７】
図３及び図４は、氷の分子構造模型（結晶模型）を示す説明図であって、図３は平面図、図４は側面図である。氷の分子構造模型（結晶模型）は、複数個の分子構造模型１を結合した構造体をプラスチック製の透明なケース２０に収納したものである。ケース２０を透明にすることにより、ケース２０内の分子構造模型を外から観測できるので、この分子構造体に圧力などを加えたときの分子の相変化が容易に理解できる。水分子（Ｈ２Ｏ）では、酸素元素（Ｏ）に対して、水素元素（Ｈ）及びその結合触手（結合腕）の配置が構造上決まっているので、氷の結晶構造において、水分子（Ｈ２Ｏ）の立体配置は決まったものとなる。
【００１８】
図３の通り、氷の結晶構造は、一単位の分子構造模型１が、その中心を結ぶ線（二点鎖線１０）が六角形をなすように多数結合されており、各単位分子間に非常に大きな空隙１１を形成する。図４Ａに示す通り、授業などの際には、氷の分子構造模型（結晶模型）を机上に置いて解説する。また、この分子構造模型（結晶模型）を収納するケース２０は蓋体２１を有しており、この蓋体２１を開けることにより開口部２２が形成される。
【００１９】
そして、ケース２０の蓋体２１を開け、開口部２２から押圧板１５や手などを入れ、結合した分子構造模型１を押す。この分子構造模型１の結合は、磁石Ｂと磁性体Ｃとの磁気結合であって比較的弱い結合であるので、板１５などで押すことにより、各単位分子構造模型１は容易にばらばらになり、ケース２０内の下方に推積され、最密状態になる（図４Ｂ参照）。この状態を観察することによって、氷に圧力を加えることにより水に変化し、且つ水は氷に比して密度が大きいという特性が理解できる。この分子構造模型（結晶模型）によれば、氷（固体）に圧力を加えることにより、氷（固体）が水（液体）に変化するという特性を、視覚的に理解することができる。
【００２０】
また、球体Ａは、多面体状によって形成した実質上の球状でも良く、さらに硬質プラスチックなどの軽量部材で形成しても良い。さらに、球体Ａに取り付けたカップリング部材Ｂ，Ｃは、磁石Ｂと磁性体Ｃとの組み合わせに限らず、磁石同士の組み合わせや、粘着シート、ホック、或いはベルベット式ファスナなどの組み合わせでも良く、要は、接触して結合し、引っ張りなど僅かの外力を加えることによってカップリング結合が解除される部材であれば良い。また、この実施例は、水分子（Ｈ２Ｏ）であるが、水素結合（Ｏ−Ｈ）で結ばれる分子であれば良いのであって、電気陰性度の高い酸素（Ｏ）、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、或いは窒素（Ｎ）などを含む分子にも適用できることは当然である。
【００２１】
図５は、別の実施例の分子構造模型１を示す断面図である。図５Ａの分子構造模型１は、球体Ａに平板状の磁石Ｂ，Ｂ’と弾丸状の磁性体Ｃとを埋め込んだものであり、図５Ｂは、球体Ａに弾丸状の磁石Ｂ，Ｂ’と平板状の磁性体Ｃとを埋め込んだものであって、いずれも磁石Ｂ，Ｂ’・磁性体Ｃの表面が球体Ａの球面に沿うように取り付けられている。要は、磁石Ｂ，Ｂ’・磁性体Ｃの表面を球体Ａの球面に沿わすか、突出したとしても若干程度にすることによって、分子構造模型１を実質的に球状にし、水素元素・結合触手（カップリング部材Ｂ，Ｃ）の大きさが、酸素元素（球体Ａ）の大きさより極めて小さいことを表すことができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る分子構造模型は、複数の分子構造模型を脆弱に結合するので、容易にばらばらにすることができ、水素結合（Ｏ−Ｈ）の結合エネルギが小さいことを表すことができる。また、元素Ｙの原子を表す磁石及び元素Ｘの原子を表す結合触手（結合腕）は、比較的小形なカップリング部材で構成したので、水素結合（Ｏ−Ｈ）による結合距離が短いことを表すこともできる。
【００２３】
そして、この分子構造模型を、水分子（Ｈ２Ｏ）に適用することにより、水分子は固体（氷）では密度が小さく（体積が大きく）、液体（水）では密度が大きい（体積が小さい）ことを表すことができる。さらに、固体（氷）に圧力を加えることにより、液体（水）に変化する状態を実感的に観測、理解することができ教材としての効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】分子構造模型を示す図。
【図２】複数の分子構造模型を結合した状態を示す斜視図。
【図３】氷の分子構造模型（結晶模型）を示す平面図。
【図４】氷の分子構造模型（結晶模型）を示す側面図。
【図５】別の実施例の分子構造模型を示す断面図。
【図６】従来の分子構造模型を示す斜視図。
【符号の説明】
Ａ  球体
Ｂ  磁石
Ｃ  磁性体
１  分子構造模型
２０  ケース
３０  支持体
【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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