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リーフレット「化学のちから」05

覆され たプラスチックの 常 識
導電性

プ

ラス

チック

［直接関連する項目］ 科学と人間生活「物質の科学」「熱や光の科学」「これからの科学と人間生活」
化学基礎「物質の構成」
化学「高分子化合物」

プラスチックなどの高分子は通常、電気を通しません。しかし、白川英樹博士はこの常識を覆し、プラスチックでも電気が通ることをポリアセチレンの化合物で示し、2000 年にノーベル化学賞を授与されました。白川博
士らの研究以来、導電性プラスチックの研究は大きく発展し、身のまわりの製品にも応用されています。これはまさに「化学のちから」

写真提供：K. Ishikawaです。

電率は 10 倍になります。この図に示すように、物質は大まかに金属のような電気を通す導電性（電気伝導性）とは？

「導体」、プラスチックのような電気を通さな物質が電気を伝える性質を導電性または電気伝導性と呼びます。導電性を数値で表現すい「絶縁体（不導体）」、両者の中間の「半導体」に分類されます。

るために「導電率」が用いられます。これは金属は、その原子のイオン化エネルギーが「伝えにくさ（抵抗率）」の逆数で表され、各小さく、価電子を放出しやすい性質がありま種材料の導電率をその対数で表示したのが図す。金属原子が集まった金属の単体では、放1 です。対数表示では数値が１つ増えると導出された価電子はもとの原子から離れて金属

横軸はlog[導電率／(Ωcm)-1）]絶縁体（不導体）-20-15

半導体
-10-5

導体
05

銀・銅

ニクロム
黒鉛

ヨウ素ドープのポリアセチレン

ポリアセチレン

ダイヤモンドポリエチレン

図 1. 種々の物質の導電率（σ）（対数表示）.注：ポリアセチレンはトランス型
01

全体を自由に移動でき（自由電子）、高い導電率を示します。この自由電子は一方で、イオン化した金属の原子どうしを結びつける働きも担っており、このような結合を「金属結合」と呼びます。
さて、物質が高い導電率を持つか否かは、原子同士を結び付けている電子がどれだけ自由に移動できるかがポイントとなります。この視点から、まずプラスチックをかたち作っている主な元素である炭素のみから構成されて導電性のないダイヤモンドと、導電性のあ

図 3. 黒鉛の構造と結合（左図の最上層の面を取り上げて結合を示し（右上図）、その構造式をその下に記載る黒鉛とを比較してみましょう。そして、プ一方、黒鉛のかたちは図 3 に示すように、ラスチックについて、導電性のないものとあベンゼン環と同様な正六角形が基本形となっるものについて考えてみましょう。てつながり、平面内に広がっています。それは上下にも重なっていますが、層状にはがれダイヤモンドと黒鉛の比較やすい性質があり、上下の結合は弱いものです。黒鉛の平面内で、ひとつの炭素原子に隣炭素原子のみからなるダイヤモンドでは、接する炭素原子の数は 3 つで、120º ずつず正四面体の中心にある原子はその各頂点にあれた 3 方向に共有結合を形成します。炭素原る 4 つの原子と結合し、それがつながったか子の 4 つの価電子のうち、1 個が残りますが、たちをしています（図 2）。この 4 という数はこれは個々の炭素原子に束縛されることな炭素原子の価電子数と同じです。その結果、く、平面内を自由に移動することができます。

ダイヤモンドではすべての価電子が共有結合

これを「広がった結合」といい、これが導電に使われています。しかも、この結合に使わ性をもたらします。その導電率は ( Ω cm)-1

れる電子は、炭素原子の間に強く捕捉されてを単位とする対数表示で +4 程度で、金属並おり、金属における自由電子のように自由にの高い値です。

移動することはできません。その結果、導電黒鉛の面内における炭素原子間の結合距離性はなく、( Ω cm) を単位とする導電率の対は、ベンゼン環のようにすべて同一でそろっ

数表示では -14 程度で、絶縁体に属します。ており、単結合と二重結合の中間（0.142 nm）-1です。それを表すため、図 3 の下では、広がった結合を〇で示しています。

ポリエチレンとポリアセチレンの比較
一般のプラスチックの代表としてポリエチレン、導電性高分子の代表としてポリアセチレン（トランス型）を取り上げ、両者を比較してみましょう。
図 2.ダイヤモンドの構造と結合
02

GSC

リーフレット ‑ 05

縛された結合を作り、上記の強い束縛による結合と合わせて二重結合を形成しています。
この弱い束縛の電子が存在するため、ポリエH

H

H

CH

H

C

チレンよりも導電率は高くなり、( Ω cm)-1 をH単位とする導電率の対数表示では -4 程度で

C

C
H

H

C

CH

H

CH

H

半導体の範囲です。

HH

この値は、ポリエチレンに比べて、( Ω cm)-1

図 4.ポリエチレンの結合と構造式を単位として12 桁以上大きいですが、黒鉛とはなお 8 桁の差があります。この違いについて考えてみましょう。黒鉛と違ってポリアセチレンは、単結合と二重結合の結合距離が異H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

なっており（単結合で長く、二重結合で短い）、この結合距離の異なる単結合と二重結合の繰

C

CC

C

C

C

り返しが安定であるために、黒鉛の場合のよH

H

H

H

H

H

うに、分子内全体を自由に動くことができる

図 5.ポリアセチレン（トランス型）の結合と構造式「広がった結合」の電子は存在しないのです。

図 4 と図 5 に、それぞれポリエチレンとポリアセチレンの結合と構造式を示していま

このことが、黒鉛の場合のような高い導電率を与えない原因と考えられます。

す。一次元で炭素骨格が伸びている点では似ていますが、ポリエチレンは単結合の連鎖です。ダイヤモンドと同様にひとつの炭素原子ポリアセチレンの導電性改善

は、隣接する 4 つの原子（2 つの炭素原子とポリアセチレンの 導電率を黒鉛に近づけ2 つの水素原子）と結合するために、4 つのるためには、黒鉛のように電子が自由に動け価電子の全てが共有結合に使われています。

るようにする必要があります。このために白その結果として導電性がなく、( Ω cm) を単川博士が行なったことは、臭素の添加で、「化位とする導電率の対数表示では -16 から -19

学ドーピング」といわれるもののひとつです。

程度となり、絶縁体に属します。

臭素はハロゲン元素であり、電子親和力が大-1

一方、ポリアセチレンでは、一次元で伸びきいため、ポリアセチレンから電子を引き抜る炭素骨格は単結合と二重結合とのくり返しく性質があります。この引き抜きによって電となっています。ひとつの炭素原子は隣接す子の抜け跡ができます。この抜け跡は構造のる 3 つの原子（2 つの炭素原子とひとつの水欠陥としてかなり活性化された状態にあるた素原子）と共有結合しています。これらの結めに、電圧が加えられた時に隣の結合から容合は、注目する炭素原子に由来する 4 つのう易に電子が移動してその抜け跡に入ります。

ちの 3 つの価電子と、結合相手原子に由来すその電子の抜け跡にはさらに隣の電子が移動る電子１個ずつとで形成され、それらの電子し……ということが順次起こり、高い導電性は隣接する原子間に強く束縛されています。

が生まれます。これにより、導電率は一気にそして、炭素原子当たり、価電子 1 個が残り1 千万倍となり、黒鉛や金属に匹敵する値がますが、これは隣接する炭素原子間に弱く束得られたと考えられます。
03

レン、そしてポリアセチレンを取り上げて導社会への貢献

電性について解説しました。しかし、その導ポリアセチレンの研究をきっかけに、種々電性の原因については、まだ十分にわかっての研究・開発が進みました。そして、大気中いないこともたくさんあります。たとえば、で長期間安定な芳香族を用いた導電性高分子多数の分子鎖から成り立つ、化学ドーピングが実用化されるに至りました。たとえば、ポしたトランス型ポリアセチレンの分子鎖間のリピロール（図 6 左） はコンデンサの電解液伝導などです。さらによりよい世の中を創造の代わりに用いられ、電話、ノートパソコン、するためには、これからも化学分野での研究小型ゲーム機、携帯オーディオプレーヤーなの発展が必要不可欠です。ぜひ、興味をもたどの電化製品の小型化・軽量化・高性能化・れた方は、第二の白川博士として後に続いて省電力化に大きく貢献してきました。また原ほしいと思います。

料が安価で合成過程も比較的簡単なポリアニリン（図 6 右） は、帯電防止フィルムやコピー機の除電装置に使われ、タッチパネル用としても応用に向けた研究がされています。導H
NN
H

電性プラスチックは、みなさんの生活を支える、なくてはならないものなのです。

nn

図 6.ポリピロール（左）とポリアニリン（右）ここまで、ダイヤモンド、黒鉛、ポリエチ問題

発展問題として、結合に関する用語の理解にチャレンジしてみてください。
下記の問題文の（ア）から（カ）に入る適切な言葉を考えてください。
炭素原子の 4 個の価電子は（ア）軌道に 2 個、（イ）軌道に 2 個入っているが、他の原子と結合を作るときは 4 個の価電子が等価な（ウ）軌道に 1 個ずつ入る。エタン
C2H6 分子の炭素原子同士の共有結合（単結合）は（エ）結合と呼ばれ、エチレン C2H4分子の炭素原子同士の共有結合（二重結合）は（オ）結合と比較的弱い（カ）結合とから成る。
『化学』（東京書籍、2013 年 2月1日発行）p.319 第 2 章 炭化水素「共有結合の種類」
をもとに作成答え（ア）2s（イ）2p（ウ）sp3 混成（エ）σ（オ）σ（カ）π【参考文献】
1）日本化学会編 化学便覧基礎編 改訂 3 版（丸善、1984 年）
2）赤木和夫・田中一義 編「白川英樹博士と導電性高分子」pp.32-37（Q&A 基礎講座「ポリアセチレンになぜ電気が流れるか」構成：田中一義）（化学同人、2002 年）
3）白川英樹・廣木一亮 SIGMA-ALDRICH「材料科学の基礎第8号

導電性高分子の基礎」（2012）

http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/countries/japan/materialscience/documents/saj1482̲mskiso8.pdf4）白川英樹・山邊時雄 編「合成金属―ポリアセチレンからグラファイトまで―」（化学増刊 87）（化学同人、1980 年）
企画・編集

公益社団法人新化学技術推進協会 GSCN 普及・啓発グループ 教材ワーキンググループ〒 102-0075 東京都千代田区三番町 2 三番町 KS ビル 2 階

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原稿案作成

三浦恒正
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2014 年 4 月 発行