電化生活を化学する
Ver.1.0.1

鹿島

長次(2009.2)

目次
1.

まえがき .................................................................................................................. 3
日本人が最も欲しがる三種の神器はすべて電化製品 ...................................................... 3電化は電気と化学の関係を表す言葉？............................................................................ 52.

物質中の電子の居場所 ............................................................................................. 8電荷を持つ微粒子からなる原子には電荷なし................................................................. 8
電荷を持っているイオン ............................................................................................... 11
クーロン力によるイオン結合........................................................................................ 14
身の回りは電荷を持たない分子ばかり.......................................................................... 16
金塊は 1 個の分子？ ...................................................................................................... 17結合が開裂するとイオンになり易い ............................................................................. 203.

原子や分子の集まり方で決まる物質の性質 ........................................................... 21
物質の性質に影響を与える分子の形 ............................................................................. 21
電気冷蔵庫はフロンの状態変化で................................................................................. 24
融点により決まる金属の使い途 .................................................................................... 264.

電気と磁石の絡み合い ........................................................................................... 30
電荷を持つ粒子が移動すれば電流が流れる .................................................................. 30
左手で分かる原子量や分子量........................................................................................ 31
電子が動き回って原子が磁石になる ............................................................................. 34
原子核の小さな磁石で身体の中を診断.......................................................................... 40
右手で発生する電流 ...................................................................................................... 44

5.

温度で変わる電気の通り易さ ................................................................................ 47
金属中を電子が移動して電流が流れる.......................................................................... 47
電気を通す有機化合物................................................................................................... 49
金属中の電子の動き難さで測る体温 ............................................................................. 52
火のないところに煙を立てる電気................................................................................. 54
電気が永久に流れ続ける超電導 .................................................................................... 57

6.

世の中を変えたコンピューター ............................................................................. 60
地殻の中に多量に含まれる半導体の素材 ...................................................................... 60
整流や発光や太陽光発電をするダイオード .................................................................. 63
トランジスターは不純物を巧みに混ぜ込んだ半導体 .................................................... 651電流の断続で考えるコンピューター ............................................................................. 67
7.

電場の中で興奮する分子........................................................................................ 71
高い絶縁性を示す分子の塊 ........................................................................................... 71
共有結合はイオン結合性を兼ね備えている .................................................................. 74
分子内の電荷の偏りで加熱する電子レンジ .................................................................. 77
液晶中に整列した分子が映す画像................................................................................. 79
電気エネルギーを溜め込む分子の分極.......................................................................... 83
電場の中で光る気体の原子や分子................................................................................. 848.

電流が関わる酸化・還元反応 ................................................................................ 88
塩のお陰で水の中でも電流が流れる ............................................................................. 88
酸化・還元反応は電子の遣り取り................................................................................. 91
電子の遣り取りを利用した電池 .................................................................................... 95
電気分解は発電所の力で進行する化学反応 .................................................................. 97

9.

切っても切れない電化の関係 .............................................................................. 101

索引 ............................................................................................................................. 104

2

1.

まえがき

日本人が最も欲しがる三種の神器はすべて電化製品
昔から雷はいかつい霊と考えられいかずち（いかづち）と呼ばれており、火雷大神（ほのいかづちのおおかみ）と大雷大神（おおいかづちのおおかみ）と別雷大神（わけいかづ
ちのおおかみ）を祀った雷電神社が群馬県板倉町にありますが、図1−1 に示すように群馬県の桐生市や太田市や伊勢崎市、埼玉県の鴻巣市や幸手市や熊谷市、茨城県
古河市、栃木県宇都宮市、千葉県
松戸市など頻繁に雷雲の発生す
る関東平野の中央部に広く雷電神社が点在しています。また、江戸時代の文化を代表する俵屋宗達の風神雷神図屏風絵に描かれている雷はデンデン太鼓で雷鳴を轟かせる鬼の姿をしています。
このように人の命を奪い、大木をなぎ倒し、火災を引き起こすなどの被害をもたらす自然現象として、雷は鬼のように恐れられていました。
18 世紀になると、ドイツ人の Kleist やオランダ人の Musschenbroken やアメリカ人のFranklin などによりライデン瓶や避雷針が開発されて、恐ろしい雷が電気の現象であると明らかにされ、神の怒りではなくなりました。19 世紀になると、イタリヤ人の Volta やフランス人の Ampere など多くの人により電導性や放電や電池や電信などの電気に関係した研究が進められてゆきましたが、日常生活に役立つような技術にまでは発展していませんでした。19 世紀に明らかになってきた電気に関する現象は、Edison などにより 20 世紀に
その利用法が飛躍的に発展して、現在では日常生活に欠かすことの出来ない産物や技術をもたらしています。
蛍の光や雪で反射する光ほどではなくても、燭台や蝋燭の光では暗く、充分な明るさが得られませんでしたから、人間は昼に働き夜は寝る生活でした。白熱電球や蛍光灯により、
夜でも昼のような明るい世界を作り出すことが出来るようになり、宵っ張りの朝寝坊が可
能になりました。ネオンサインや発光ダイオードにより赤や黄色や青や緑など種々の光を出すことが出来るようになり、夜の街を華やかに飾ることが出来るようになりましたから、ますます生活時間が夜にずれてゆきました。

3

食べ物の煮炊きも寒さを和らげる暖房も薪や炭や石炭を燃やして熱源としてきました
が、点火と火力の調節に難がありました。石油や天然ガスを燃料にすることにより、点火と火力の調節がかなり容易になりましたが、頻繁な点滅や微妙な熱量の調節にはかなり困難を伴います。電流を流すと発熱し、電流の流れを切れば瞬時に発熱が止まります。その上、流す電流の量を加減すれば発熱する量も容易に調節できますから、頻繁な点滅や微妙な熱量の調節が最も容易な熱源として、電熱は食べ物の煮炊きや寒さを和らげる暖房に便利に用いられています。さらに、電子レンジや IH ヒーターなどの新しい発熱方法が開発され、火の無い所に煙を立てることも可能になってきました。
電流を流して発生する磁気と磁石の間に働く力を利用した電動モーターが開発されてから、電流は多くの器械や道具の動力に広く用いられるようになりました。電動モーター
で電車の車輪を回せば、多くの人を神奈川県や埼玉県や千葉県の郊外から東京都心まで運
んでくれますし、東海道五十三次の旅も 2 時間あまりで可能にしてくれます。電動モータ
ーで桶の中に装着したスクリューを回す洗濯機では、洗濯板を使わなくても桶の中が良くかき回されて洗濯物は綺麗になります。風車を電動モーターで回せばそよ風を送る扇風機になりますが、エヤコンの冷凍機を動かせば夏の暑い日でも鳥肌が立つほどに気温を下げることが出来ます。また、冷蔵庫の冷凍機を電動モーターで常に動かして、食物の腐敗を抑え、食材を長期に保存することができるようになりましたから、居ながらにして世界中の美味を味わうことができるようになりました。
電流の流れを頻繁に点滅して、呼び鈴やベルを連続的に鳴らし続けます。長短 2 種類の電流の点滅を組み合わせたモールス信号を利用して遠距離で通信が可能になりました。その後、電線の繋がっていない所でも電磁波により電気の信号を送ることが出来るようになり、無線電信や電報が世界の情報交換の有力な手段になりました。また、電流の点滅や強弱の変化に対応するように音を忠実に発生させることができ、逆に、音の振動を電流の点滅や強弱の変化にする技術も開発されたために、両者を組み合わせた電話は情報の交換を容易にしました。音の強弱や音色の電流量への変換、電流量の変化の電磁波への変換、電磁波の送受信、電磁波から音への再変換を組み合わせた携帯電話は近年の生活様式を大きく変化させました。放送局が電磁波に変換して送信した音の情報を受信して音の情報に再変換するラジオは、不特定多数の人々に同じ情報を一方向的に広く同時に伝達する手段となりました。
1950 年代になると光の強弱を電流量の変化に変換する技術と電流量の変化を光の強弱に変化する技術が確立されましたから、放送局は音の情報とともに、光の情報を電磁波に変換して送信するようになりました。テレビは情報を含むこの電磁波を受信して音と光の情報に再変換する装置ですから、ラジオと同じように不特定多数の人々に同じ情報を一方向的に広く同時に伝達できます。しかし、テレビは音のほかに映像の情報も含んでいますから、ラジオとは比べ物にならないほど大きな社会的影響力を持つようになりました。
トランジスターやダイオードや液晶ディプレイや CCD の発達により電流の点滅や方向4

の切り替えや情報の取り込みと表示が極めて微弱な電流で瞬時にできるようになりましたから、複雑な情報の処理が可能なコンピューターが発達しました。現在では、パーソナル
コンピューターが多くの家庭に入ってきて、インターネットの通信やデジタルカメラの映像処理まで広く用いられるようになっています。
20 世紀になると Edison をはじめとする多くの研究者により、このように種々の電化製品が開発されて、日常生活を便利で快適なものにしてきました。1950 年代後半の日本人の生活に欠くことのできない耐久消費財の三種の神器は冷蔵庫と洗濯機とテレビと考えられていました。1960 年代半には三種の神器はカラーテレビとエヤコンと自動車になり、2000年代になると三種の神器はデジタルカメラと DVD レコーダーと薄型テレビにさらに変わってきました。それぞれの時代に日本人が最も欲しいと思う三種の神器が自動車を除けばすべて電化製品であることからも、いかに現代の日常生活が電気の力に依存しているか分
かります。

電化は電気と化学の関係を表す言葉？
恐ろしい雷が神の怒りと考えられていた 18 世紀まで、ヨーロッパで伝え継がれてきた
Alchemy（錬金術）は種々の物質を混ぜたり溶かしたり煮たり焼いたりして変化させることにより貴金属や長寿のクスリを合成するものでした。19 世紀になると Alchemy の本質と思われる物質の変化に興味を持つ人が出てきて、次第に金儲けの手段から学問に進化してゆき、接頭語の Al が消えてなくなり Chemistry（化学）になりました。19 世紀の間に基礎的な化学の知識や技術が蓄積され、Edison などにより種々の電化製品が開発された 20 世紀になると、種々の化学的な産物や技術も開発されて日常生活を便利で快適なものにしました。このように電気が日常生活に関与するようになった過程と、化学の進歩と日常生活への関与の過程は時代的にも良く似ていました。
非常に高価で庶民には縁遠い物だった藍染めの衣服はその色素のインジゴを化学的に合成して、最も庶民的なブルージーンズを生み出すまでになりました。さらに、ジアゾカ
ップリング反応の成功により、パリやニューヨークや東京の華やかなファッションを可能にしました。Carothers を中心とする研究グループは簡単な構造を持つ化合物を繋ぎ合わせて細くて長い絹糸のまがい物を合成しましたが、このナイロンと呼ばれるまがい物を合成する考え方はポリエステルや合成ゴムなど多くのプラスティックを産み出すように発展してゆきました。化学的に生み出された種々のプラスティックは耐久性や耐薬品性や耐摩耗性や経済性など多くの点で天然に存在する繊維や樹脂に比べて優れています。
地球上には種々の生物が存在していますが、生存競争や共存や寄生など互いに複雑な関係で生命の維持と繁殖をしています。原始時代には人間は天然に生息している植物を採り動物を獲って食べて生活していました。農耕や牧畜により食べ物となる動植物を安定して供給できるように文明が発達しましたが、このような共存と寄生の関係においても生存競争は続きました。人間にとっては有益な生物も有害な生物もありますから、有益な生物に5肥料や飼料を与えて成長を援け、有益な生物に危害を加える有害な生物を除草や殺鼠や殺虫して除去してきました。肥料として尿素や硫酸アンモニウムの有効性が明らかになると、空気の中の窒素を原料にして化学的に大量合成をするようになりました。殺虫剤や殺鼠剤も化学的に調製して散布しますから、芋虫が食べていない綺麗なキャベツをとんかつの横に刻むことができるようになりました。
5000 年を越す中国の歴史の中で見出された麻黄（まおう）は熱を下げ、咳を鎮め、痰を切る性質がありますから、他の薬草とともに調合して葛根湯などの風邪薬として用いられてきました。19 世紀半から培ってきた化学の知識や技術を利用して、麻黄の有効成分のエフェドリンを純粋な物質として取り出すことに成功しました。他方、ドイツではコール
タールの化学的研究の過程で、熱を下げ、痛みを鎮める万能薬としてアスピリンが発明されました。現在では、これらのエフェドリンやアスピリンがあらゆる風邪薬には調合されて市販されています。
食べ物の供給における有害な生物ばかりでなく、直接、人間にとって怪我や病気の元になる有害生物も多く棲息しています。病気の原因になる微生物の繁殖を抑えるために、油脂を水酸化ナトリウムと煮て作る石鹸や脂肪酸のブドウ糖エステルなどの界面活性剤で汗や汚れを洗い落として生活環境を清潔に保っています。また、クレゾールや過酸化水素や塩素ガスなどの消毒剤や殺菌剤の働きで、有害な微生物から護られています。さらに、清潔を保っても消毒や殺菌をしても防ぎきれないバクテリアなどの繁殖による多くの感染性疾患の治療に役立つペニシリンの発明は多くの抗生物質開発の糸口になりました。このよ
うに種々の化学物質を有効に用いることは人間の健康を保つことに大いに役立っています。
生存競争は人間同士にも起こりますから、当然敵にとって有害な手段をとる人間も出てきますし、敵にとって有害な物質を扱う人間も出てきます。戦争のために強力な爆薬が開発されましたし、第 1 次世界大戦には毒ガスとしてホスゲンを散布して殺戮する戦術も採られました。ヴェトナム戦争では敵の隠れるジャングルを取り除くために大量のダイオキシンが散布されました。総合的には化学は人間に恩恵を与える知識や技術であったと思われますが、有益なことばかりではなく人間に危害を加える知識や技術にもなりうると思われます。
電化製品の進歩とほとんど無関係に、このように化学は日常生活に影響を与えてきたよ
うに見えますが、化学の知識や技術は電化製品の発展に大いに貢献しています。逆に、化学の発展に電気に関する知識と技術は欠かすことができません。化学と電気に関する知識や技術は互いに相補い相互に影響しあいながら進歩を続けています。
電流を流すための電線の材料にはほとんど金属を用いていますが、電流を効率的に流すためには銅やアルミニウムや鉄などの金属を純粋な状態に精練しなければなりません。この金属の精錬には還元反応と電気分解反応が主に行われています。近年、重要性の増した金属けい素やゲルマニウムは極めて純粋でなければトランジスターやダイオードの素材として使うことができませんから、高い化学の技術を要求されます。また、これらの電線を6接続して複雑な機能を持つ電化製品に作り上げるためには鉛と錫の金属を熔融してハンダを作らねばなりません。逆に電化製品を作るうえで、電流が無用に漏れることのないように高い絶縁性を持つ物質も欠くことができません。現在の大部分の電線は銅線の周りをポリエチレンなどのプラスティックで被覆していますし、電柱に取り付けた碍子と呼ばれるセラミックスが発電所と家庭を結ぶ高圧電線を支えて漏電を抑えています。さらに、電子基盤と呼ばれる電化製品の心臓部は絶縁性の高いポリカーボネートなどの比較的固いプラ
スティックの上に電線が書き込んであります。しかも、この電線を基盤に複雑に書き込む
過程では、種々の光化学反応や酸化反応が利用されています。
水に電流を流しますと水が還元されて水素と酸素に電気分解します。同じように多くの物質は電流を流すと酸化・還元反応して有用な物質を生産します。この酸化・還元反応を逆に起こさせると電流が流れますから、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池を作ることができます。さらに、電気分解の反応と電池の反応を相互に起こすような系は蓄電池あるいは充電電池と呼ばれ、電気エネルギーを化学エネルギーとして蓄積し、再度電気エネルギーとして利用できます。
電化という言葉は小学館の国語大辞典では「熱・光・動力などを、電力を利用することでまかなうようにすること、または、生活に各種の電気器具を取り入れること、または、鉄道車両を電力によって動かすようにすること」と記されています。このように化学と電気に関する知識や技術は互いに相補い相互に影響しあいながら進歩を続けていますから、
著者は電化という言葉にこの電気と化学の間の深い関係の意味を加えてはどうかと思います。
本書では日常生活の中に快適と便利をもたらしている電化製品を化学の知識を織り交
ぜながら独善的に調べて、電化の関係をどのようなものか見てゆこうと思います。さらに、身近な事柄として電化製品の働きを生み出すからくりの合理性を化学的に考えてみたいと思っております。日常生活の中で用いられている電化製品の中に隠れた技術や知識のうちで、何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。
また、逆に多くの化学的な技術や知識が日常生活を快適にする新たな電化製品を生み出す
助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。本書が電化を推し進める上で貢献できればよいと思っています。

7

2.

物質中の電子の居場所電荷を持つ微粒子からなる原子には電荷なし
地球上の全ての物質は種々の原子で構成されていますが、その原子は電子、中性子、陽子の 3 種の微粒子が組み合わせられて出来ていると思われています。質量の小さな電子は9.1 x 10−31 kg で負電荷を帯びています。電子の 1839 倍の質量を持つ中性子は電気的に中性
で、電子の 1836 倍の質量を持つ陽子は正電荷を帯びています。質量が格段に大きい陽子と中性子が結びついて原子核を形成し、その周囲に電子が分布する形で原子が出来ています。
電子の質量が陽子や中性子と比較して無視しうるほどに小さいために、種々の原子を構成している陽子の数と中性子の数の和を質量数といいます。原子の性質は原子核の周囲に広く分布する電子の数に大きく影響を受けています。そのため、質量数が異なる原子でも、陽子の数が同じであれば原子の性質が非常に似ていますから、これらを元素といいます。また、同じ元素でも質量数の異なる原子がいろいろとありますので、これを互いに同位元素と呼んでいます。
水素原子は陽子と電子が 1 つずつで中性子を含んでいません。水素陽イオンは水素原子から 1 つの電子が失われたものですから、陽子だけとなります。そのため水素陽イオンと陽子は全く同じものです。ヘリウム原子は陽子 2、中性子 2、電子 2 で出来ています。他にも陽子、中性子、電子の数の異なる原子が無限に考えられますが、原子核の中で陽子と中性子を結び付けている力が相対的に弱くなるため、安定な元素は陽子の数が 83 以下に限られており、陽子の数が 84 以上の元素では不安定で、如何なる環境でも放射能を出しながら一定の寿命を持って徐々に壊れてゆきます。
また、陽子と中性子の数の割合は図 2−1 に示すように 1〜1.5 で一定しており、陽子に対して中性子の割合が大きな元素も不安定で放射能を出しながら分解します。水素の元素は陽子の数が 1 つですが、中性子を持たない水素原子のほかに、中性子を 1 つ持った重水素（デューテリウム）と 2 つ持ったトリチウムの 3 種類が知られています。これら 3 種類の同位元素のうちでトリチウムは、陽子に対して中性子の割合が大きいために不安定で、12.39 年で半分が分解してしまいます。一般に不安定な原子の寿命は半分が壊れてゆくために要する時間（半減期）で表し、半減期の 10 倍の時間では(0.5)10 まで減少しますから、この値を計算すると約 0.1％しか残らないことになり、ほとんど壊れてしまいます。自然に存在する最も陽子数の大きな元素はウラニウムですが、この元素の中で半減期の最も長い同位元素でも10 億年です。さらに陽子数が 93 以上の全ての元素は極めて寿命が短く、例えどこかで生成したとしても、きわめて短い年月で全て消滅してしまいます。このことから地球上で性質を知ることの出来る陽子の数の違う元素は 90 種類に限られています。
太陽系では太陽の半径の約 6400 倍の半径の空間に、太陽の質量の 0.1〜0.00002％程度の軽さを持つ 8 個の惑星が周回していますが、酸素原子では原子核の半径の約 16000 倍の半径の空間に 0.03％の質量を持つ軽い電子が 8 個分布しています。太陽系では太陽と惑星の間

8

中性子数
120

80

40

0
0

20

40

60

陽子数

80

図 2−1 天然安定同位元素の陽子数と中性子数の割合には万有引力が働いて惑星は太陽に結び付けられていますが、原子核は正電荷を持っていますから、負電荷を持つ電子を静電的な力で結び付けています。このように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。
原子の電子は原子核に近い内側から 7 段階におおよそ順番に詰まっていきますが、その7 つの段階を主量子数と呼んでいます。原子に属する電子の入ることの出来る場所は主量
子数 1 から順に 1、4、9、16、25、36 あります。この電子の入ることの出来る場所を軌道と呼び、各軌道に 2 個の電子が入るとその軌道は充足し安定します。そのため、主量子数
1 から 2、8、18、32、50、72 個の電子が入れるだけの許容量を持っています。最も外側の量子数の軌道に分布する外殻電子が主量子数 1 では 2 個、それ以外では 8 個まで入ると次の外側の量子数の軌道に電子は順次詰まってゆきます。このことから、外殻電子の数は 1〜8 までしかありませんし、元素の性質も大まかには 8 種類しかありません。これはMjendjeljejev が見出しました元素の性質と陽子の数との間の周期表の規則性を表しています。表 2−1 には現在、化学の研究に使われている周期表を挙げ、陽子数、元素記号および最も外側に分布する電子の数を示しておきます。典型金属を淡赤色、遷移金属元素を褐
色、非金属元素を黄色、希ガス元素を緑色であらわしました。さらにランタニド金属元素
を赤褐色、アクチニド金属元素を赤色であらわしました。
このように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますから、原子を構9表 2−1 周期表

族

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

2

H

He

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

1

2

3

4

5

6

7

8

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

1

2

3

4

5

6

7

8

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

K

Ca

Sc

Yi

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

1

2

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

3

4

5

6

7

8

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

1

2

2

2

1

1

2

1

1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

55

56

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Cs

Ba

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

1

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8

87

88

104

105

106

107

108

109

Fr

Ra

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

陽子数

1

2

2

2

2

2

2

2

元素記号

*1

*2

外郭電子数

*1

*2

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

La

Ce

Pr

Bd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

ER

Tm

Yb

Lu

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm Md

No

Lr

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

10

2

成している陽子と電子がそれぞれ正負の電荷を持っているにもかかわらず、原子には電荷が現れません。

電荷を持っているイオン
一般に、電荷を持つ 2 個の粒子の間に働く静電的な力 FCoulomb はクーロン力と呼ばれ、真空中の誘電率をε0 とするとき、それぞれの電荷の大きさ Qi と Qj に比例し距離ｒに反比例する式 2−1 に示す Coulomb の関係式で表されます。この式は同じ符号の電荷であれば反発力に、異なる符号の電荷であれば引力として働くことを意味しています。また、これ
らの粒子がクーロン力を振り切って無限の彼方へ引き離されるときに要するエネルギー
ECoulomb はクーロンエネルギーと呼ばれ式 2−2 で表されます。原子核は正電荷を持っていますから、原子核の半径の 10000〜100000 倍の半径の広い空間に負電荷を持つ電子を静電的なクーロン力で結び付けています。このように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核を構成して中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますが、これらの電子と原子核の間に働くクーロン力は原子核に近いほど大きくなります。

FCoulomb =ECoulomb =En = −Qi ⋅ Q j

式 2−1

4πε 0 r 2
Qi ⋅ Q j

式 2−2

4πε 0 rmZ 2 e 4 1⋅
8ε 02 h2 n 2式 2−3

原子核も電子も量子力学に支配されていますから、原子核に近い内側からこれらの電子は不連続な 7 段階の電子の入ることの出来る場所におおよそ順番に詰ります。原子核も電子も電荷を持っていますから、主量子数の小さな内側の軌道の電子は原子核に強く引き付けられており、主量子数の大きな外側の軌道の電子は弱い力で結び付けられています。当然、最も外側の量子数の軌道に分布する最外殻電子は小さなエネルギーで原子から引き離されてしまい、陽イオンとして正電荷を帯びてきます。原子から最外殻電子を引き離すた
めに要するこのエネルギーはイオン化ポテンシャル En といい、最外殻電子の主量子数ｎ、
その原子の陽子の数を Z、電子の電荷を e、電子の質量をｍ、Planck の定数を h とするときに式 2−2 を変形した式 2−3 で表すことができます。ただし、h は 9.537ｘ10−14s・kcal/molと見積もられています。種々の元素のイオン化ポテンシャルを表 2−2 および図 2−2 に掲
げておきますが、この値が小さいほど元素は陽イオンに成り易すいことを意味します。式
2−3 から明らかなように、主量子数が同じ元素では陽子数の小さな元素ほどクーロン力が11小さくなりますが、この陽イオンになり易い傾向は図 2−2 にも現れています。表 2−2 に掲げた元素の中でアルカリ金属と呼ばれる Li と Na と K と Rb は最外殻電子を 1 個しか持たない元素で非常に小さなイオン化ポテンシャルを示し、最も陽イオンになり易いことが分かります。アルカリ金属とは反対に、同じ主量子数の元素の中で最も最外殻電子を多く持つ希ガス元素では陽子数が大きいために非常に大きなイオン化ポテンシャルを示し、陽イオンになり難いことが分かります。
表 2−2 元素のイオン化ポテンシャル(kcal/mol)
元素

イオン化ポテンシャル

元素

イオン化ポテンシャル

H

313.2

P

241.8

He

566.8

S

238.8

Li

124.2

Cl

298.9

Be

214.8

Ar

363.3

B

191.3

K

102.1

C

259.5

Ca

140.8

N

334.9

Ga

138.3

O

313.9

Ge

182.1

F

401.5

As

226.1

Ne

496.9

Se

224.7

Na

118.5

Br

272.2

Mg

176.3

Kr

322.7

Al

138.1

Rb

96.3

Si

187.9

I

240.9

イオン化ポテンシャル

600
500
400
300
200
100
0
0

20

40

60

80

図 2−2 元素のイオン化ポテンシャル(kcal/mol)

12

陽子数

100

元素から最外殻電子を引き離して陽イオンになるときにはイオン化ポテンシャルを要しますから、逆に陽イオンが外から電子を受け取って元素に戻るときにはイオン化ポテン
シャルに相当するエネルギーを発生します。同じように元素が外から電子を受け取りますと陽子の数よりも電子の数が多くなりますから負電荷を持つ陰イオンになり、そのとき式2−3 に相当する電子親和力と呼ばれるエネルギーを発生します。種々の元素の電子親和力
を表 2−3 および図 2−3 に掲げて起きますが、この値が大きいほど発生するエネルギーが大きいので陰イオンになり易すい性質を持っています。式 2−3 から明らかなように、主量子数が小さな元素ほど発生するエネルギーが大きくなりますから、陰イオンになり易い傾向を示します。アルカリ金属は同じ主量子数を持つ元素の中では最も陽子の数が小さいので発生するエネルギーが小さく、陰イオンになり難い性質を示します。
表 2−3 元素の電子親和力(kcal/mol)

元素

電子親和力

元素

電子親和力

H

0.0

P

17.7

He

0.0

S

48.0

Li

14.3

Cl

83.1

Be

-57.6

Ar

-8.4

B

5.5

K

11.5

C

29.4

Ca

-37.3

N

0.0

Ga

8.6

O

33.7

Ge

27.7

F

78.4

As

18.4

Ne

-6.9

Se

46.6

Na

12.7

Br

77.4

Mg

-55.4

Kr

-9.3

Al

11.9

Rb

11.0

Si

28.7

I

70.5

最外殻電子を 7 個持つ F や Cl や Br や I などのハロゲン元素は同じ主量子数を持つ元素のなかで陽子数が大きいために大きなエネルギーを発生しますから、陰イオンになり易い性質を示します。8 個の最外殻電子を持つ希ガス元素はその軌道に入れる電子の許容量を満たしていますから、新たに外から電子を受け取る場合には主量子数が増加してしまい、
電子親和力が負の値を示します。このことは希ガス元素が陰イオンになるためには逆にエネルギーを要しますから、ほとんど陰イオンにならないことを意味しています。
このように同じ主量子数を持つ元素では陽子数が小さく最外殻電子の数が少ない元素
13

ではイオン化ポテンシャルも電子親和力も小さいですから、陽イオンになり易い性質を示します。また、陽子数が大きく最外殻電子の数が多い元素ではイオン化ポテンシャルも電子親和性も大きいので、陰イオンになり易い性質を示します。さらに、希ガス元素ではイオン化
ポテンシャルが極端に大きく、電子親和力が負の値を示しますから、陽イオンにも陰イオンにもなりません。まとめると、元素のイオンへのなり易さは中心の原子核ではなく、主に周囲に広く分布する電子の状態に影響されます。特に最外殻電子の数が元素の性質を決定付けますから、Mjendjeljejev が見出した元素の性質と最外殻電子の数の相関性から導いた表 2−1の周期表が合理的に説明できます。
電子親和力
100

80

60

40

20

0
0

20

40

60

陽子数

80

図2−3 元素の電子親和力(kcal/mol)

クーロン力によるイオン結合
身の回りには多種多様な性質を示す物質が存在していますが、これらの多様性は表 2−
1 に掲げた元素 90 種類だけでは対応できませんから、それらの元素が数多く集合し、結びついて多くの物質が形成されていると思われます。一般に、いくつかの元素が結びついて一つの安定な集合体になるとき、この集合体を分子といいます。言い替えれば、地球上の多種多様な性質を示す多くの物質はほとんど分子で出来ていると考えられます。
安定な集合体として原子が結びつくことを結合といい、現在までの化学的知識を集約す
ると、原子が集合体として結びつく結合の仕方は主に 3 通りあります。1 つの結合の仕方は電子の遣り取りで 2 種類の原子が陽イオンと陰イオンになり、そのイオン同士が電気的な引力で結びつく結合で、イオン結合と呼ばれています。もう一つの結合の仕方は、それぞれの原子に属する電子が他の原子核の陽子とのあいだに電気的な相互作用をして生まれる原子の間の引力で結びつく結合で共有結合と呼ばれています。さらに、一個の原子に属する 2個の電子が他の原子核の陽子と電気的な相互作用をして結びつく配位結合があります。

14

原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますが、これらの電子と原子核の間に働くクーロン力は原子核に近いほど大きくなります。そのため、主量子数の小さな内側の軌道の電子は原子核に強く引き付けられており、主量子数の大きな外側の軌道の電子は弱い力で結び付けられています。当然、最も外側の量子数の軌道に分布する最外殻電子は小さなエネルギーで原子から引き離されてしまい、陽イオンとして正電荷を帯びてきます。
この原子から最外殻電子を引き離すために要するイオン化ポテンシャルの値が小さいほど元素は陽イオンへ成り易すいことを意味します。また、元素が外から電子を受け取りますと陽子の数よりも電子の数が多くなりますから負電荷を持つ陰イオンになり、電子親和力と呼ばれるエネルギーを発生します。
陽イオンになり易い元素と陰イオンになり易い元素が接近するときには、陽イオンになり易い元素はイオン化ポテンシャルに相当するエネルギーを貰って電子を放出し陽イオンになります。また、陰イオンになり易い元素は電子親和力に相当するエネルギーを放出して電子を受け取り陰イオンになります。この電子の遣り取りによって 2 種の元素はそれぞれ陽イオンと陰イオンに変化しますが、そのとき陽イオンになるために要するイオン化ポテンシ
ャルが陰イオンになるときに放出する電子親和力でかなり穴埋めされます。さらに、生成した陽イオンと陰イオンはそれぞれ正電荷と負電荷を持っていますから、互いにクーロン力が働きますます接近します。このように両イオンはイオン結合と呼ばれるクーロン力により互いに結び付けられ、間に生じるクーロンエネルギーに由来する結合エネルギーにより両イオンは安定化します。
ナトリウムのイオン化ポテンシャルは 118.5kcal/mol、塩素の電子親和力は 83.1 kcal/molと見積もられていますから、両元素が接近してイオン化するためには.35.4 kcal/mol のエネル
ギーがまだ不足しています。しかし、両イオンの間にイオン結合が形成しますと、クーロン
エネルギーに由来する結合エネルギーにより 97.5 kcal/mol 安定化しますから、結果としてナトリウムは陽イオンに、塩素は陰イオンになって 0.24nm まで近付きイオン結合で結ばれた
塩化ナトリウム（食塩）の結晶となります。
イオン結合の結合エネルギーがクーロンエネルギーですから、両イオンの電荷の大きさに比例し、両イオン間の距離に反比例しますが、さらに、両イオンを取り巻く環境の誘電率にも反比例します。誘電率は真空中で最も小さな値を示しますが、石油やベンゼンのような油の性質を持つものも比較的小さな値を示しますから、このような溶媒の中では強いイオン結合を持って陽イオンと陰イオンが結合しています。しかし、真空中の誘電率と比較して、水の誘電率が 78.54 倍大きいために、水の中ではイオン結合の結合エネルギーは 1.3％ほどまで小さくなり、両イオンがイオン結合を保つことができませんから、陽イオンと陰イオンはバラバラになり水の中に溶けてしまいます。このときイオンの電荷は周囲の多くの水分子に少しずつ分散されますから、両イオンは水の中ではバラバラな状態で安定に存在できます。

15

身の回りは電荷を持たない分子ばかり
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽くて負電荷を持つ電子が広く分布しています。2 つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用して、クーロン力が働き両原子が結び付けられます。このとき、原子核も電子も量子力学に支配されていますから、原子間に引力の働くエネルギー的に安定な結合性軌道と反発力が働く不安定な反結合性軌道の 2 つの軌道が生じます。相互作用により生じる反結合性軌道は、原子の単独の状態よりもエネルギー的に不安定な状態ですが、電子を含まないために 2 つの原子の間にはエネルギー的な不安定化は起こりません。原子に属する電子はエネルギー的に安定な結合性軌道に移動するために、原子の相互作用によりエネルギーの安定化が起こり原子は互いに結合します。それぞれの原子に属する電子が他の原子核の陽子とのあいだに電気的な相互作用をして生まれる原子の間の引力で結びつく結合で共有結合と呼ばれています。さらに、一個の原子に属する 2 個の電子が他の原子核の陽子と電気的な相互作用をして結びつく配位結合もあります。
共有結合は 1 個しか充足していない軌道の電子が関与する結合であり、主量子数 1 の軌道が 2 個の電子で既に充足されて安定化しているヘリウム原子は如何なる原子とも共有結
合も配位結合も出来ません。水素原子は主量子数 1 の軌道に 1 個しか電子が入っていません
から、他の原子に属する 1 個の電子との共有結合により軌道を充足するため、水素原子の結合できる原子の数は 1 個に限られます。ホウ素原子では主量子数 2 の 4 つの軌道に 3 個の電子しか入っていません。そのため、3 個の原子と共有結合できますが、まだ 1 つの軌道が空のまま残ってしまいますから、さらに電子を 2 個持つ 1 個の原子と配位結合することが出来ます。炭素原子では主量子数 2 の 4 つの軌道に 4 個の電子が入っていますから、4 個の原子と同時に共有結合できます。窒素原子は主量子数 2 の 4 つの軌道に 5 個の電子が入っていますので、1 つの軌道は 2 個の電子で充足していますが、ほかに充足していない 3 つの軌道が残りますから 3 個の原子と共有結合できます。充足した 1 つの軌道はさらに 1 個の原表 2−4 多く存在する元素の原子価子と配位結合することが出来ます。このように原子が結合できる原子の数を原子価と

元素

原子価

元素

原子価

いいますが、3 通りの結合の仕方の組み合わ

H

1

Fe

3、2

せなどにより、原子価は元素により 1 つだ

He

0

S

4、3、2

けとは限らず複数の原子価を持つ元素もあ

O

2、1

Ar

0

ります。

C

4、3、2

Al

3

原子の持つ原子価はそれぞれの元素に

N

4、3、2

Ca

2

よって決まっていますので、表 2−4 には

Ne

0

Na

1

Mg

2

Ni

3、2

Si

4

身の回りに多く存在する元素の原子価をまとめました。原子価が 0 のヘリウムやネオ

16

ンやアルゴンは他の元素と結合することが出来ず、複雑な分子を構成することは出来ませんから単原子分子として存在します。原子価が 3 ないし 4 のような元素では、沢山の原子と結合することができ、多種多様な分子を構成することが出来ます。
共有結合にはそれぞれの原子に属する電子のうちの 1 個ずつが相互作用する単結合、2個ずつが結合に関与する 2 重結合、3 個ずつが関与する 3 重結合の 3 種類があります。単結合では図 2−4(A)のように結合軸の上で相互作用してσ結合と呼ばれる結合を形成します。２重結合では 2 個の電子が結合軸上で相互作用するσ結合を作っていますが、残りの２個の電子は軸上に存在せず、直交軸上に存在します。この直交軸上の電子は図 2−4(B)

C

C

C

C

Ａ

C

Ｂ

σ結合

C

C

C
π結合

図2−4

Ｃ−Ｃ単結合とＣ＝Ｃ2重結合に示すように側面で相互作用していますが、これをπ結合と呼んでいます。3 重結合は 6個の電子のうちの 2 個の電子が結合軸上で相互作用するσ結合と残りの 4 個の電子で作られる 2 本のπ結合からできています。これらの結合が結ばれるときに生ずる安定化のエネ
ルギーを結合エネルギーと呼んでおり、元素の種類や結合の仕方など種々の結合の違いにより 50〜200 kcal/mol の結合エネルギーを持っています。
このようにイオン結合以外の共有結合と配位結合は電荷を持たない原子同士が接近して、原子核と電子が互いに相互作用して生じる静電引力により結ばれていますから、これらの結合により形成する分子も電荷を持ちません。現在までに性質の明らかになっている化合物は約 15000000 種類と推定されていますが、そのうちの 90％以上は共有結合を主体とする化合物です。このことから身の回りに存在する物質を構成している分子は、正電荷を持つ陽子と負電荷をもつ電子が互いに相互作用して生じる結合によりできているにもかかわらず、
その電荷を互いに打ち消しあうために分子全体としては電荷を持たないことを意味しています。

金塊は 1 個の分子？
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核を構成して中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽くて負電荷を持つ電子が広く分布しています。2つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用して、クーロン力が働き両原子が結び付けられます。このとき、原子間に引力の働く結合17性軌道と反発力が働く反結合性軌道の 2 つの軌道が生じます。相互作用により生じる反結合性軌道は、原子の単独の状態よりもエネルギー的に不安定な状態ですが、電子を含まないために 2 つの原子の間にはエネルギー的な不安定化は起こりません。原子に属する電子
はエネルギー的に安定な結合性軌道に移動するために、原子の相互作用によりエネルギーの安定化が起こり原子は互いに結合します。
水素原子は主量子数 1 の軌道に 1 個しか電子が入っていませんから、他の原子に属する
1 個の電子により軌道を充足して結合します。リチウム原子では主量子数 1 の軌道が充足され、主量子数 2 の 1 つの軌道に 1 個の電子しか入っていませんから、他の原子に属する
1 個の電子により軌道を充足して結合します。2 個のリチウム原子が結合した分子に隣接する 3 番目のリチウム原子が接近するとき、この結合を形成している電子と 3 番目のリチウ
ム原子の原子核が相互作用しますから、新たに結合を形成します。さらに、4 個でも 5 個
でもリチウム原子が集合すれば、電子をそれぞれ 1 個ずつ出して結合を形成しますが、それらの結合に関与する電子はみな共有するように結合性軌道を充足してゆきます。リチウ
ム原子が集合して 3 次元的に整然と並んだ固体において全ての原子が相互作用して、集合体を構成する全ての原子が互いに結合し、その全ての最外殻の電子を共有して 1 個の分子のようなものを作り上げます。このように金属元素が集合して相互作用するときに、原子が互いに引き付け合う結合を金属結合と呼んでいます。
原子核も電子も量子力学に支配されていますから、ｎ個の原子が集合して相互作用する
ときにはｎ個の軌道ができますが、そのうちの半分がエネルギー的に安定な結合性軌道で、そこに充足するようにｎ個の電子が 2 個ずつ入ります。残りの半分の軌道はエネルギー的に不安定な反結合性軌道で、電子が充足されずに空になっています。各軌道はエネルギー
的に多少安定性が異なっていますが、ｎが極めて大きな値ですから、各軌道間のエネルギ
ー差は極めて小さくなり、電子は各軌道間を容易に移動できる帯のようになり、バンドと読んでいます。特に、電子が充足している結合性軌道のバンドを価電子帯、電子が充足されず空になった反結合性軌道のバンドを伝導帯と呼んでいます。この価電子帯と呼ばれる結合性軌道のバンドを充足している電子は極めて流動的でその位置が各原子に帰属していませんから、自由電子と呼ばれています。
リチウム原子の最外殻には球状をした s 軌道しか持っていませんから、結合性軌道のバンドを s バンドと呼んでいますが、アルミニウムは最外殻に s 軌道のほかに若干エネルギ
ーの高い p 軌道にも 1 個の電子が入っています。そのため金属アルミニウムでは s バンドのほかに p バンドにも電子が充足しています。しかし s バンドと p バンドの間も小さなエ
ネルギー差しかありませんから、s バンドと p バンドをあわせたエネルギー的に幅広いバンドの中に 3ｎ個の自由電子が充足していることになります。当然、原子の中で結合に関与する電子が多くなれば、隣接する原子核とのクーロン力も大きくなりますから、金属結合の結合エネルギーが大きくなります。表 2−5 には種々の金属の結合エネルギーを掲げておきましたが、赤紫色で示すように最外殻電子を 1 個しか持たないアルカリ金属と 2 個持18

つアルカリ土金属では関与している電子の数が多くなるため結合エネルギーが大きくなっています。褐色で示す遷移金属は 1〜2 個の最外殻電子を持っていますが、完全には充足されていない状態の内殻の d 軌道を小さなエネルギー差で持っています。タングステン(W)や白金(Pt)では、これらの内殻の電子までも金属結合に関与していますから、大きな結合エネルギーを示しています。さらに、内殻の電子が充足されて最外殻の電子が多くなるに連れて錫(Sn)やアンチモン(Sb)や鉛(Pb)やビスマス(Bi)のように金属結合のエネルギーは小さくなります。
表 2−5 金属の結合エネルギー(kcal/mol)

元素

最外殻電子数

結合エネルギー

元素

最外殻電子数

結合エネルギー

Li

1

38.4

Ga

3

64.6

Na

1

25.8

Ge

4

90.0

Mg

2

35.1

Rb

1

19.5

Al

3

78.0

Sr

2

39.1

Si

4

108.4

Pd

0

91.0

K

1

21.3

Ag

1

68.4

Ca

2

42.8

Sn

4

72.0

Ti

2

112.5

Sb

5

63.0

Cr

1

95.0

W

2

201.8

Mn

2

66.7

Pt

1

135.2

Fe

2

99.5

Au

1

88.3

Co

2

101.6

Hg

2

14.7

Ni

2

102.8

Pb

4

46.8

Cu

1

81.1

Bi

5

50.3

金属は多くの原子が 1 塊になって金属結合により結ばれ、最外殻電子が自由電子として共有されていますから、1 個の分子と考えられるように思います。1ｇの金塊に含まれる
3x1021 個の金(Au)原子が金属結合で結ばれてあたかも 1 個の分子のようになっていますが、2ｇの金塊でも 1 個の分子となります。このように分子量も分子構造も個々に共通性がなくなってしまいますから、金属には分子の概念を当てはめることができません。金属の塊は正電荷を持つ原子核とその電荷を打ち消すだけの電子でできていますから、全体として電荷を持っていませんが、結合に関与している電子は高い流動性を持った自由電子になって
います。

19

結合が開裂するとイオンになり易い
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核を構成して中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますから、原子は電荷を持っていません。正電荷を持つ陽子と負電荷を持つ電子が互いに相互作用して生じる共有結合でできた分子もその電荷を互いに打ち消しあうために分子全体としては電荷を持ちません。
しかし、原子にイオン化ポテンシャルに相当するエネルギーと与えてやりますと、最外殻電子を引き離して陽イオンと電子に分かれますが、このとき電荷を打ち消すことができなくな
り、陽イオンと電子はそれぞれ正電荷と負電荷を持ちます。同じように、共有結合で結ばれた分子に結合エネルギーに相当するエネルギーを与えてやりますと、正電荷を持った原子核と電子の間の相互作用による共有結合が開裂して原子あるいは原子の集合体に分解します。
共有結合はそれぞれの原子に属する電子が他の原子核の陽子とのあいだに電気的な相互作用をして生まれる原子の間の引力で結びつく結合で、2 個の電子が関与しています。このとき図 2−5 に示すような 2 種類の結合開裂の仕方があります。1 つはホモリシスと呼ばれ、共有結合に関与している 2 個の電子がそれぞれの原子に 1 個ずつ分かれて結合が開裂する仕方ですから、結合が結ばれる以前の状態に戻り、結果として原子あるいは原子の集合体には電荷が発生しません。このとき生成する原子あるいは原子の集合体には 1 個しか電子の充足していない軌道が残りますから、極めて不安定ですみやかに再結合してしまいます。
他の結合開裂の仕方はヘテロリシスと呼ばれ、共有結合に関与している 2 個の電子が片方の原子に偏って開裂するもので、一方の原子は 2 個の電子を貰うために本来より 1 個電子が多くなりますから陰イオンになり負電荷を帯びます。電子の取られてしまった残りの原子
は電子が 1 個不足しますから、陽イオンになり正電荷を帯びます。1 個しか電子を充足していない不安定な軌道を持ちませんから、生成するイオンはいずれも比較的安定で存在します。
特に水のように大きな誘電率を持つ溶媒中では、イオンの電荷は周囲の多くの溶媒分子に少しずつ分散されますから、両イオンは安定に存在できます。

共有結合

A

B

ホモリシス

ヘテロリシス

B

A

配位結合

A

B

図2−5 結合の生成と開裂

多くの場合に結合エネルギーに相当するエネルギーを与えますと、共有結合を構成している 2 個の電子が一方の原子に偏って開裂するヘテロリシスにより、陽イオンと陰イオンに分解してゆきます。しかし、炭素上に生成するイオンは不安定ですみやかに新しい結合が生成する化学反応が進行して行きます。

20

3.

原子や分子の集まり方で決まる物質の性質

物質の性質に影響を与える分子の形
陽子と中性子と電子の組み合わせでできている原子が共有結合やイオン結合や配位結合により集合して分子やイオンができています。最も大きな分子と思われるセルロースやポリスチレンでも太さ 1〜2nm（1ｘ10-9〜2ｘ10-9ｍ）、長さ 1〜10μm（1ｘ10-6〜1ｘ10-5ｍ）
程度ですから、極めて小さな粒子です。これらの極めて小さな原子や分子やイオンなどの粒子が集合して身の回りに存在する種々の物質を構成しています。当然、原子や分子やイオンの性質が物質の性質に反映していますが、同時に粒子の集合するときに粒子間に働く力の強さや粒子の並び方など集合体の状態も物質の性質に反映しています。
一般に、共有結合やイオン結合や金属結合により直接結合した原子の間には一定の結合距離が保たれ結合エネルギーの安定化が起こりますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来する van der Waals 力､と呼ばれる相互作用やわずかに存在する電荷によるクーロン力などの相互作用が起こります。この直接結合していない 2 個の原子間の相互作用は分子間力と呼ばれ、原子間距離をｒ、原子により固有の定数を a、b とするときに、
Lenard と Jones によって式 3−1 のような関数として近似されています。この関係式から分かるように、遠くはなれた原子間には相互作用はなく、近付くにつれて若干の安定化が起
こりますが、約 0.22nm（2.2ｘ10-10m）よりも接近するとお互いに強い反発が起こりエネル
ギー的に不安定になります。

EVW =

a
b
−
r 12 r 6

式 3−1

物質には固体、液体、気体の３態があり、分子と分子の間で相互に働く分子間力と分子の運動エネルギーの大小により物質の状態は決まってきます。分子が気体の状態になって自由に動き回り、壁に衝突すると壁は質量を持った分子から何がしかの力を受けます。これを圧力といいます。気体の衝突で受ける力は分子の数が少なければ小さく、分子の数が多ければ受ける力も大きくなります。言い換えれば、圧力は自由に動き回る気体の分子の密度に比例するということです。密度がある一定体積中の分子の数を意味していることから、気体の圧力ｐはその体積Ｖに反比例し、気体の分子の数 Na に比例します。また、分子の衝突で生まれる圧力は分子の質量 m とその分子の運動の速度ｖに比例します。理想気体定数を R とするとき、気体の持つ運動エネルギーＥは理想気体の状態方程式を加味すると式 3−2 のように表すことができます。

N a mv 23V1
3
E = N a mv 2 = RT
2
2
p=

式 3−2

21

式 3−2 からも分かるように、運動エネルギーは低温では小さく温度Ｔが高くなるほど大きくなりますから、分子の速度が速くなり分子は激しく運動します。温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さいときには、固体の状態になり、分子間距
離が小さくなるように分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。
この状態では分子はその配列を崩すほどには動くことが出来ません。温度が少し高くなり分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなると、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなると、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、自由な世界に飛び出してゆきます。この飛び出す現象を気化といい、分子が分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる状態を気体の状態といいます。
固体や液体の状態では分子間の相互作用が大きいために理想気体の状態方程式は成り立ちませんが、実在の気体では分子と分子の間の距離が大きいために分子間力が無視できるほど小さくなり理想気体に近似できます。分子間力が分子と分子の間の距離に反比例するように変化しますから、圧力が高くなり分子の密度が高くなると、分子間距離が小さくなるた
め分子間力が大きくなります。分子間力が圧力により変化しますから、物質の状態も温度と圧力により固体から液体へ、さらに液体から気体に変化します。式 3−2 からも明らかなよ
うに、分子量の小さな分子は早く運動しますから、低い温度でも液体や気体になり易い性質を示します。逆に、大きな分子量の分子の動きは鈍くなりますから、分子間力に負けてしま
い、固体の状態を取りやすくなります。同じような分子間相互作用を持つ物質では融点と沸点が分子量と高い相関性を示すと思われます。同族系列の有機化合物の沸点と分子量の関係を図 3−1 のグラフに示しますが、比較的に分子間相互作用の小さな飽和炭化水素や塩化ア300

図3−1 沸点と分子量の関係

沸点（℃）
200

100

0

飽和炭化水素-100

塩化アルキル
水とアルコール
アンモニアとアミン

-200

カルボン酸

-300
0

20

40

60

80

100

120

22

140

160

180
200
分子量

ルキルなどの同族系列の有機化合物では分子量約 100 を持つ物質が約 100℃で沸騰します。
また、表 3−1 には同じ系列の同じ分子量を持つ化合物の例として 4 種類のブタノールの融点と沸点を掲げておきますが、t-ブタノールは他の 3 種類と異なり極端に高い融点と低い沸点を示しています。他のブタノールと比較して図 3−2 に示すように t-ブタノールの分子は丸い形の構造をしていますが、丸い分子は容易に整然と並び易く相互に接触する機会が小さいですから、高い温度でも結晶として固化しますし、比較的低い沸点を示します。
極端に丸い形の構造を持つアダマンタンは高い融点を示すために液体の状態を取ることができず昇華することが観察されています。
紙などのように偏平な形の構造を持つ
物質は何枚も重なりますから、互いの平面

表 3−1 ブタノールの融点と沸点が近付くことができます。ベンゼンやコレ
ステロールや黒鉛や雲母などの分子は平面

融点(℃)

沸点(℃)

構造を持っていますから、紙と同じように

n‑ブタノール-90

118

何枚も重なって整然と並びます。偏平な形

i‑ブタノール-108108の分子は互いに小さな分子間距離で重なり

s‑ブタノール-115

100

ますから、丸い形の構造を持つ分子と同じ

t‑ブタノール

26

83

ように、非常に高い結晶性を示します。これらの分子では平面方向には共有結合で強固に結ばれていますが、平面の間が比較的弱い分子間力だけで結ばれていますから、横にずれ易い性質も示しています。
長い紐や凧糸を不注意に取り扱うとすぐにこんがらかるように、細くて長い分子の場合には液体の状態でもこんがらかる現象が起こって分子同士に相互作用が生まれるために、

HH

HH

C

H
C

HH

C
C

H

HH
HH
n-ブタノール
HHH
H C C C H
H C HHH C C C H
H C C C H
H H
HH
アダマンタン

ベンゼン

C

O

H

H
H
H HH C H

HH
C

H
O

C

C
H

H C HHH
i-ブタノール
CH3

H

H
O

H
H

H H

H

ナフタレン

図2−7

C
C

H

H
H

CH3
H

C
C

H H
O

HH
t-ブタノール

H CH3 H H

H CH3

C
C
C
C
CH3
HC
HH
HH

H H
H H
H
H H
H
コレステロール

アントラセン

丸い分子と平らな分子

23

H

O

HH
s-ブタノール

H

H

HH H
H CC H

フェナンスレン

比較的高い粘性を示します。この細長い分子の温度が低くなって運動エネルギーが小さくなるときに、分子の動きが小さくなって硬く固まってきます。ガラス転移温度付近では分子がこんがらかったままで分子の運動が止まり始めます。しかし、分子のこんがらかりが解消されるわけではありませんから、整然と規則正しく結晶として整列することができません。結果としてこんがらかったままで動きが止まりガラス状に固化します。このようにこんがらかってガラス状に固化するほどに充分に細く長い分子の物質を高分子化合物と呼び、融点や沸点を持つ通常の化合物と区別しています。高分子化合物はこんがらかるために高い粘性を持ち、究極まで粘性が高くなりますと外力を加えると変形したままになりま
すが、この粘土のような性質を日本語では塑性、英語では Plastic といいます。この Plasticの性質が高分子化合物の最も重要な特徴であったために、現在では高分子化合物をプラス
ティックと呼ぶようになってしまいました。
原子や分子やイオンの性質が物質の性質に反映していますが、同時に粒子の集合するときに粒子間に働く力の強さや粒子の並び方など集合体の状態も物質の性質に反映しています。特に分子の形により分子間に働く分子間力の強さや分子の並び方が大きく影響されますから、融点や沸点などの物質の 3 態を支配する性質まで影響されます。非常に長い分子ではプラスティックの性質を持つため、特別の利用法が開発されています。

電気冷蔵庫はフロンの状態変化で物質には固体、液体、気体の３態があり、分子と分子の間で相互に働く分子間力と分子の運動エネルギーの大小により物質の状態は決まってきます。分子間力は遠くはなれた分
子間には相互作用せず、分子の間の距離が小さくなると大きくなります。また、運動エネ
ルギーは低温では小さく温度が高くなるほど大きくなります。温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さいときには、固体の状態になり、分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。温度が少し高くなり分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなると、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を分子は自由に動き回るようになります。
さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギーがはるかに大きくなると、分子は物質の中の分子間力のしがらみから開放されて、気体となって自由な世界に飛び出してゆきます。
いろいろな温度と圧力で水が氷、水、水蒸気の 3 態の何れの状態にあるかは、図 3−3 に示す水の状態図で表すことができます。101000Pa（1010hPa、1 気圧）の時に水は 0℃
で固体の氷から液体の水に変化し、100℃で水蒸気の圧力が 101000Pa になりますから、沸騰しどんどん気化が進みます。沸騰している水は液体が完全に水蒸気として気化するまでその温度を 100℃に維持します。図 3−3 からも分かるように、101000Pa よりも高い圧力下では水は 100℃よりも高い温度の沸点を示します。水の分子は水素 2 原子が酸素 1 原子と結合して出来ている非常に簡単な構造を持っています。しかし、同じように簡単な分子の

24

図3−3

水の状態図

構造をもつメタンやアンモニアと比較すると、分子の質量や嵩高さの違いがほとんど無いにもかかわらず、水の融点は 0℃、沸点は約 100℃と高温です。このような水の特異な性質
は水の分子の間に水素結合と呼ばれる大きな分子間力が働き、多くの水分子が単独の挙動を取らずたくさん絡み合って一塊となる挙動をとるためと考えられます。
図 3−4 は 101000Pa(1 気圧)の下で 1g の氷を暖めたときに加えられる熱量とそのときの温度の上昇をグラフに表したものです。この図で分かるように、水には相の変化に伴う大きな熱の収支がありますが、特に大きな気化熱を持っています。このことは 100℃の水が100℃の水蒸気に気化するときには、非常に大きな熱量を要することを意味しています。アンコールワットへの観光旅行の折に、レストランで風の流れの中に霧状の水を撒いている400

図3−4 １気圧下で1gの水の温度上昇曲線

温度（℃）
300

200

100

気化熱

0

融解熱

-100

-200
0

200

400

600

25

800

熱量（cal）

大型の扇風機を目にしました。小さな水滴は風の流れの中で即座に気化しますが、そのとき多くの気化熱を流れる風から奪いますから、風の湿度は高くなりますが温度は下がります。熱帯にあるカンボジアで利用できる簡易型の冷房装置です。電気冷蔵庫の普及していなかった時代には日本でも同じような原理を利用して、夏になると濡れた布巾で器を包み風通しのよい所に置いておきました。布巾に含まれた水は風に当たって気化しますが、そのとき多くの気化熱を器から奪いますから、器の中まで良く冷えます。
多くの気体はポンプで電気的に加圧しますと発熱を伴って液化し、液体は圧力の低いところで霧として拡散しますと気化すると共に、気化熱を奪いながら急激に温度が下がります。気化した気体は再びポンプで加圧して冷却しながら液化して循環しますから、電気的にポンプを働かせることにより温度を下げることが出来ます。水の大きな気化熱には及びませんが、アンモニアやフロンガスなども気化するときに熱を奪います。水は電化製品に利用することが難しいために、アンモニアやフロンガスなどを使った冷却装置が電気冷蔵
庫や空調機に用いられています。しかしフロンガスも公害物質として規制されていますから、ブタンガスなどが次第に使われるようになって来ました。

融点により決まる金属の使い途
金属は多くの原子が 1 塊になって金属結合により結ばれ、最外殻電子が自由電子として共有されていますから、1 個の分子のように見えると考えられます。この金属の塊は正電荷を持つ原子核とその電荷を打ち消すだけの電子でできていますから、全体として電荷を持っていませんが、結合に関与している電子は高い流動性を持った自由電子になっています。この金属の塊では分子量も分子構造も個々の塊により異なり共通性がありませんから、金属には分子の概念を当てはめることができません。
一般に、物質には固体、液体、気体の３態があり、分子と分子の間で相互に働く分子間力と分子の運動エネルギーの大きさの大小により物質の状態は決まってきます。金属の塊
では原子が金属結合で相互に結ばれていますが、原子は個々に運動エネルギーを持っていますから、両者の大きさの大小により物質の状態は決まってきます。原子の運動エネルギ
ーは低い温度では小さく高い温度では大きくなりますから、金属物質の３態も温度により変化します。表 3−2 には種々の金属の融点と沸点を結合エネルギーとともに掲げておきますが、金属原子の相互に働く力は金属結合の結合エネルギーですから、金属結合エネル
ギーと融点や沸点の間には相関する傾向が伺えます。小さな結合エネルギーを持つアルカ
リ金属やアルカリ土類金属では融点も沸点も低くなります。また、内殻の電子が充足されている錫やアンチモンや鉛やビスマスなどは金属結合エネルギーが小さく、比較的低い融点や沸点を示します。特に結合エネルギーの小さな水銀(Hg)は室温でも液体で存在します。
逆に、内殻電子が金属結合に関与するタングステンなどでは結合エネルギーが大きいた
めに、融点も沸点も極めて高くなります。Edison が発明した白熱電球は電流を物質に通して高温にして発する白色光を利用していますが、発光部の物質が融けたり気化しては役に26

立ちません。初期の白熱電球では竹炭が用いられていたようですが、現在では最も融点と沸点の高いタングステンが用いられています。ちなみに、タングステンは化学的に安定な金属ですが、高温でも酸化反応などの化学変化を起こし難くするために電球中を窒素雰囲
気にしてあります。
表 3−2 種々の金属の融点と沸点

元素

結合エネルギー

融点

沸点(kcal/mol)

(℃)

(℃)

元素

結合エネルギー

融点

沸点(kcal/mol)

(℃)

(℃)

Li

38.4

179

1317

Ga

64.6

30

2403

Na

25.8

98

892

Ge

90.0

937

2830

Mg

35.1

651

1107

Rb

19.5

39

688

Al

78.0

660

2467

Sr

39.1

769

1384

Si

108.4

1410

2355

Pd

91.0

1552

2927

K

21.3

64

774

Ag

68.4

961

2212

Ca

42.8

842

1487

Sn

72.0

232

2270

Ti

112.5

1675

3260

Sb

63.0

631

1380

Cr

95.0

1890

2482

W

201.8

3380

5927

Mn

66.7

1244

2097

Pt

135.2

1769

3827

Fe

99.5

1535

3000

Au

88.3

1063

2966

Co

101.6

1492

2900

Hg

14.7

-34

357

Ni

102.8

1453

2732

Pb

46.8

327

1744

Cu

81.1

1083

2595

Bi

50.3

271

1560

物質の状態を決める要素が分子と分子の間で相互に働く分子間力と分子の運動エネル
ギーの大小ですから、塩化ナトリウムや砂糖のような物質を溶かした溶液の状態も同じような要素で決められると思われます。分子間力よりも分子の運動エネルギーが大きくなると分子の間に働く分子間力のしがらみから開放されて、溶媒分子が自由な世界に飛び出してゆきます。しかし、溶媒分子が飛び出せば溶液が濃縮しますから、溶けている物質の分子と分子の間の距離が小さくなり、系全体としても分子間力が大きくなります。そのため、溶媒分子は気化し難く、その溶液の沸点は溶媒の沸点よりも高くなります。同じような溶媒分子の分子間力が溶けている分子の影響で変化することにより、溶液の凝固点は溶媒の凝固点よりも低くなります。これらの現象をそれぞれ沸点上昇および凝固点降下と呼んでおり、溶けている物質の濃度と沸点あるいは凝固点の変化の大きさ（ΔT）の間には式 3−3 の関係が成り立っています。ただし、ｗ1 を物質の重量、ｗ2 を溶かしている溶媒の重量、M を溶けている物質の分子量とするときに、比例定数 Kb を沸点上昇度、比例定数 Kｆ27

を凝固点降下度と呼んでいます。なお、参考のために表 3−3 には各種の溶媒の沸点上昇度（Kｂ）と凝固点降下度（Kｆ）の値をまとめておきます。

∆T = K b

1000 w1
Mw2∆T = K f

1000 w1
Mw2

式 3−3

氷に塩を混ぜると塩による凝固点降下により、急激に氷が融けますから混合物の温度が下がります。塩の混ぜ具合で氷から−15℃程度まで冷やすことが出来ますから、砂糖を加えて甘くした牛乳と卵をこの方法で冷やしながら攪拌しますと、アイスクリームを作ることが出来ます。同じ現象によりウイスキーや焼酎のオンザロックも 0℃より温度が下がりますからグラスの外側に霜の凍り付くこともあります。
表 3−3 各種溶媒の沸点上昇度と凝固点降下

溶媒

分子量

沸点（℃）

Kb

凝固点（℃）

Kf

水

18.02

100.0

0.52

0.0

1.86

メタノール

32.04

65.0

0.88

エタノール

46.07

78.3

1.20

アセトン

58.08

56.5

1.73

蟻酸

46.02

100.6

2.40

8.6

2.77

ベンゼン

78.11

80.2

2.57

5.5

5.12

酢酸エチル

88.10

77.1

2.79

酢酸

60.05

118.1

3.07

16.7

3.90

クロロホルム119.5061.2

3.88

ニトロベンゼン123.11

210.9

5.27

5.7

6.90

ナフタリン

128.16

218.0

5.80

80.2

6.90

樟脳

152.23

209.0

6.09

178.0

40.00

金属は電気伝導度が高いために多くの電化製品に用いられていますが、融点あるいは軟化点が高いために金属同士を熱的に溶接することが困難です。表 3−2 に掲げた錫や鉛やアンチモンやビスマスなどは多くの金属の中では比較的に結合エネルギーが小さく、低い融点を示す金属です。既に前節で考えたようにこれらの金属物質は分子の考え方を採ることができず、明確な分子量Ｍも定義できませんから、合金の沸点や凝固点の変化を式 3−3 で表すことはできません。しかし、式を金属原子と書き換えますと、これらの元素を混合して溶融した合金が低い融点あるいは軟化点を示すように表せます。たとえば、錫の中に少量の鉛を含む合金は、凝固点降下が働き錫の融点より若干低くなります。同様に鉛の中に少量の錫を含む合金も凝固点降下の働きにより融点が低くなります。錫と鉛から作られる

28

合金の融点は図 3−5 に示すように凝固点降下の関係と同じようにその混合の割合により直線的に変化します。このように錫と鉛の合金が低い融点を示すために銅線や電子部品な
どをコテなどの小さな熱源で溶接することができ極めて便利ですから、ハンダ(半田)と呼ばれて古くから電化製品の製作に用いられてきました。

340
融点（℃）

図3−5 半田（Pb-Sn合金）の融点

300

y=

2.1

x+

2 .0
11

260

y=

220

-1.5
x

+2
31.
2

180
0

20

40

60

80 鉛成分（％） 100

2 成分系の合金では比較的簡単な融点の変化を示しますが、3 成分あるいは 4 成分の組成を持つ合金では組成比に対する融点の変化は複雑で非常に低い融点を示す物があります。
ビスマス 50％と鉛 28％と錫 22％の組成を持つローズメタルの融点は 109℃ですから、温度ヒューズとして日常生活に広く利用されています。電気炊飯器や電気ポットなどの水を加熱する電化製品では水の沸点以上に温度上昇することは通常ありませんが、予期せぬ故障により電化製品が水の沸点以上に過熱暴走しても、器具に内蔵されている温度ヒューズが融けてしまい電力供給を切断できます。また、ビスマス 50％と鉛 26.7％と錫 13.3％とカド
ミウム 10％の組成を持つウッド合金は 70℃の融点を示していますから、感温材料として防火用スプリンクラーなどに用いられています。
分子やイオンの集合した物質においては分子間力と分子の運動エネルギーがその性質に大きく影響を与えますが、金属の塊の中では、原子間に働く金属結合と原子の運動エネ
ルギーがその性質に大きな影響を与えます。特に、金属結合の結合エネルギーの大小が金属の３態に大きく影響しますから、白熱電球のフィラメントやハンダや温度ヒューズや感温材料など使い途により最適な金属物質は異なってきます。

29

4.

電気と磁石の絡み合い電荷を持つ粒子が移動すれば電流が流れる
一般に、電荷を持つ 2 個の粒子の間に働く静電的な力はクーロン力と呼ばれ、それぞれの電荷の大きさに比例し距離に反比例する式 2−１に示す Coulomb の関係式で表されます。
この式は同じ符号の電荷であれば反発力に、異なる符号の電荷であれば引力として働くことを意味しています。また、これらの粒子がクーロン力を振り切って無限の彼方へ引き離されるときに要するエネルギーはクーロンエネルギーと呼ばれ式 2−2 で表されます。物質は多くの原子で構成されていますが、その原子は中性子のほかに正電荷を持つ陽子と負電
荷を持つ電子からなり、クーロン力で互いに結ばれています。さらに、原子同士を結び付けている共有結合も配位結合もイオン結合も金属結合も電子と陽子の間に働いているクー
ロン力で主に結び付けられています。
原子が集合して物質はできていますが、その中には同じ数の陽子と電子を含んでいますから、互いにその電荷を打ち消し物質全体には通常電荷が残りません。原子は陽子を含む原子核が中心に座し、周囲を電子が覆っており、特に最外殻電子は小さなクーロンエネル
ギーで容易に離れてゆきます。2 種の物質を擦るときに表面の分子や原子や原子団が一部剥離しますが、原子から電子が離れ易いために、物質の表面に陽子の数よりも多くの電子が残ったままで表面の分子が剥離してゆけば、物質全体として電子が多くなり負電荷を帯電します。逆に、剥離する部分に多くの電子が乗って、物質全体は正電荷を帯電する場合もあります。帯電の正負の極性は接触する物質の組み合わせにより決まる相対的な性質で、相手となる物質により電子を出す側が正に、電子を受け取る側が負に帯電します。冬になって空気が乾燥する季節になると、衣服が擦れ合って静電気が発生し、繊維間の静電引力(クーロン力)により互いに引き付けあいますから、強く繊維同士が擦れ合いますます高く帯電します。そのために、シャツやスカートが身体に纏わり付いてしまいます。また、擦ると琥珀は強く帯電して強いクーロン力を発生するために、このクーロン力の意味を持つ
electricity と言う言葉はギリシャ語の琥珀に由来すると聞いています。
このように電荷を持った物質は周囲の電荷を持つ物質との間にクーロン力が働き、その大きさは電荷の大きさに比例します。また、その力に逆らうために要するクーロンエネル
ギーを電位と呼んでいますから、電位の大きさも電荷の大きさに比例します。帯電した物
質は電子を放出して電位差のない安定な状態になろうとしますが、そのときに放出された
電子は電子が不足して正電荷を帯電した物質に移動します。2 つの物質の間に大きな電位差がある場合には、電子が移動するように大きなクーロン力が働き、エネルギー的に安定化しようとします。
このように電子などの電荷を持った粒子が移動することを電気が流れるあるいは電流が流れると定義しています。電荷を持った粒子を出し易い物から粒子を受け取り易い物の方向に電荷を持った粒子は移動しますから、電流の流れには方向性があり、正電荷を持つ

30

粒子と負電荷を持つ粒子があります。衣服の擦れ合いで発生した静電気は非常に大きな電位差を生じますから、火花となって電子が空中を移動し電流が流れてエネルギー的に安定化しますが、そのときの放電により不愉快な思いをすることがあります。
物質の成分比を調べるときにガスクロマトグラフィーが広く用いられていますが、医薬品や環境汚染物質を研究する分野では高い精度と感度が要求され、特に炭素を含む有機化合物の成分比を調べることが最も重要になってきます。炭化水素などの炭素を含む化合物
を酸素の中で水素を燃やす高温の酸水素炎の中に入れますと、わずかながら電子とともに炭素上に正電荷を持つようイオンに熱分解します。ここで生成する電子やイオンは炎の中を移動しますから、酸水素炎のバーナーと炎の中に置いた電極の間に高い電位をかけておけば電荷を持った粒子が電極に移動して電流が流れます。流れる電流の量と燃やした炭素の量の間には 1〜107 の大きな範囲で比例関係がありますから、10‑7〜10‑8g の少量の炭素化合物まで検出できます。この高い精度と感度を持つ検出器は水素炎イオン化検出器(FID)と呼ばれ、炭素を含む物質の成分比を調べるガスクロマトグラフィーの検知器として広く用い

図4−1

ＦＩＤの構造図られています。幸い GL サイエンス社製の FID の構造図が手元にありましたので図 4−1 に掲げておきます。
水溶液中などで正電荷を持つ陽イオンが移動して電流の流れる場合もありますが、原子は陽子を含む原子核が中心に座し、クーロン力の小さい最外殻電子が離れ易いために、多くの場合は負電荷を持つ電子の移動することが多いと考えられます。正電荷の流れるときにその方向に＋から−に電流が流れると定義しましたから、負電荷を持つ電子の流れるば
あいにはその方向とは反対の方向に電流が流れることになります。電流の概念と実際の電子の挙動が逆になりややこしい限りです。

左手で分かる原子量や分子量
電流の単位として名前の残っている Ampère は図 4−2 に示すように水平な何れの方向にでも自由に回転できる輪になった電線のコイルに電流を流す実験をしたところ、赤色の矢印のように南北の方向にコイルの輪の面が必ず向きました。この実験は電流を流すとその直角の方向に磁性が発生し、地磁気との
図4‐2間に相互に磁力が働いてコイルが南北

31

Ampereの実験の模型

方向に向くと説明されました。電流には方向性がありますから、コイルに発生する磁石にも NS の方向性が生じます。地磁気の方向は常に一定していますから、逆方向に電流の流れを替えますと当然コイルも逆方向に向きます。電流が流れますとコイルに磁性が生じますから、地磁気と同じように外部磁場の中では、互いに 2 つの磁石の間に相互作用が起こり磁力が発生します。ここで外部磁場にもコイルに流れる電流にも方向性がありますから、Fleming は磁力の方向を解り易くするために磁場と電流の方向の関係を図 4−3 に示すような「左手の法則」に要約しました。このように電流により発生する磁場の強さ B は電流量 I に比例し、電流の流れる電線からの距離 r に反比例する式 4−1 で表すことができます。ただしμ0 は真空中の誘磁率（1.257ｘ10-2 Gm/A）を意
味します。

B=

µ0 I
2πr

式 4−1

外部磁場の中で電線に電流を流しますと、左手の法則により電線に力が働きますから、電流を断続させることによりこの力を往復運動に替えて鐘撞棒や振動盤やカミソリ刃を振動させて、電鈴やスピーカーや電話や髭剃りなど多くの電化製品を機能させています。また、流す電流の方向を刻々変化させることによりこの力を回転運動に替える電動モーター
は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する最も効率の良い装置として、多くの電化製品に利用され人間生活に欠かすことができません。
原子は中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の周囲に負電荷を持つ電子が陽子と同じ数だけ広く分布して原子核の正電荷を打ち消しています。電子が原子に対して相対的に非常に軽い質量しか持っていないために、イオンは原子とほとんど変わらない質量を持っていますが、陽子の数と電子の数が異なっていますか
ら電荷を帯びています。電場の中にイオンをおきま
すと、イオンにクーロン力が働きイオンは走り出し32

ます。図 4−4 に示すように、小さな穴の空いたスリット A に負の電位を与えておきますと、正電荷を持つ種々の陽イオンはスリット A を目がけて突進しますが、わずかな数の陽イオンは速い速度で小さな穴を通り抜けます。このとき、スリット A に与える電圧により突進する陽イオンの速度は変化します。通り抜けた陽イオンの持つ運動量は陽イオンの質
量とその速度の積で表すことができますから、質量に比例して陽イオンは直進しようとします。スリット A の先で陽イオンを磁場の中に導きますと、磁場の中では走る陽イオンは電流の流れとして左手の法則に従って力を受けます。陽イオンの持つ運動量と左手の法則に従う力との釣り合いにより、質量の軽い陽イオンは磁場の影響を大きく受けて大きく曲がりますが、重い陽イオンは運動量が大きいために直進しようとしますから、相対的に磁場の影響をあまり受けず小さく曲がります。
大気中では陽イオンが空気などに衝突して瞬時に運動量を失ってしまいますが、真空中では検知器まで陽イオンを無事に移動させることが出来ます。原子や分子のイオン化装置とイオンを加速させる電場と左手の法則に従う力を生み出す磁場とイオンを検出する検出器を真空中で図 4−4 のように接続した分析機器は質量分析装置と呼ばれ、10−9ｇ以下の極
めて少量の試料で正確に原子量あるいは分子量を測定することが出来ます。近年になって、この質量分析装置はその感度も精度も取り扱い易さも非常に改良されました。原子はそれぞれ固有の原子量を持っていますが、正確にはその値は整数値ではありません。例えば自然界に多く存在する質量数 1 の水素、2表 4−1 微小分子量の違う一例の水素、12 の炭素、13 の炭素、14 の窒素、16 の酸素で構成されるエチレン、
シアン化水素、一酸化炭素、窒素ガス

化合物名の分子量は、表 4−1 に示すようにい

エチレン

分子式

分子量

CH2=CH2

28.0313

ずれも約 28 ですが正確には異なる値

2H-シアン化水素

2H-CN

28.0172を持っています。そのため、質量分析

13

H-13CN

28.0142

C-シアン化水素装置により精密に分子量を測定するだ

窒素ガス

N2

28.0061

けで同位元素の存在を含めて分子式ま

一酸化炭素

CO

27.9949で求められてしまいます。
このように左手の法則を応用した
質量分析装置により物質の正確な原子量や分子量を測定することができ、物質の存在や性質を知る手段になります。とくに、クロマトグラフィーなどの分離方法と組み合わせることにより、大量の物質の中に含まれる極めて少量の成分まで検出しその存在を証明できま
すから、オリンピック選手に義務付けられているドーピング検査や商品に含まれる微量成分の解析などに用いられています。さらに、この質量分析装置を搭載した人工衛星を送り、金星や火星などの惑星の大気成分が分析されました。

33

電子が動き回って原子が磁石になる原子は相対的に質量の重い中性子と陽子が原子核を構成して中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。電子は負電荷を持って原子核の周囲を動き回っていますから、これらの電子により原子の中を電流が流れ、Ampère の実験のように原子は磁性を持ちます。云い替えれば、電子は動く方向に対して直角に向いたそれぞれ小さな磁石の性質を持っています。地球が太陽系の中を自転と公転をして動いているように、これらの電子も自転に相当する軌道と公転に相当する軌
道を動き回っています。自転に相当する軌道はその軸に対して 2 通りの方向しかありませんが、西から東に自転している地球が地磁気を持っているように、それぞれの軸方向に向いた磁石を持っています。これらの 2 通りの軌道がそれぞれ 1 個ずつの電子で充足される
ときにエネルギー的な安定化が起こりますが、それらの電子は対になって互いの磁性を打ち消し合いますから磁性を示しません。しかし、電子が対になっていない軌道を持つ原子
では原子全体として磁石の性質を示します。
自然界には 90 種類の元素が存在していますが、これらの元素の大部分はその自転に相当する電子の軌道が完全には充足されていませんから、電子の対になっていない軌道を持っていて磁性を示します。ヘリウムやネオンやアルゴンなどの希ガス元素以外の物質は単独の原子で存在することは無く、磁性を持つ原子が集合してイオン結合や共有結合や金属結合で結ばれています。炭素や窒素や酸素などの典型元素と呼ばれる比較的質量の小さな原子は対になっていない軌道の電子が他の原子の不対電子と互いに対になるように相互作
用し、共有結合により分子を形成して、エネルギー的に安定化するとともに原子が持っている磁性を打ち消します。例えば、炭素原子も水素原子も本来小さな磁石の性質を持っていますが、メタン分子は炭素の最外殻にある 4 個の不対電子が 4 個の水素原子の不対電子と共有結合して対になるために、不対電子がなくなり磁性を示しません。このような分子では、構成する原子は小さな磁石の性質を持っていますが、共有結合により分子を形成したときに不対電子が対になり磁石の性質を失います。
表 2‐1 の中で褐色に示した遷移金属元素や赤褐色に示したランタニド金属元素は結合に寄与している最外殻の電子のほかに、内殻にも対になっていない軌道の電子を持っています。このような内殻に不対電子を持つ元素ではイオン結合や共有結合や金属元素で結ばれていても、原子の磁性が残ります。表 4−2 には代表的な遷移金属元素の鉄、コバルト、
ニッケル、銅における電子の充足の仕方を掲げておきますが、電子を 26 個持つ鉄の原子は内殻の軌道(3d)に 4 個の不対電子を持っているために強い磁性を示しています。コバルトとニッケルでは内殻の軌道がそれぞれ対になってゆくために不対電子の数が減少し磁性も次第に弱くなります。さらに、29 個の電子を持つ銅では内殻の軌道の電子が全て対になりま
すが、最外殻に 1 個の不対電子が残りますから原子は磁性を示します。この最外殻の不対電子が 1 個失われた 1 価の銅イオン(第 1 銅イオン)は磁性を失いますが、2 価の銅イオン(第2 銅イオン)では最外殻の電子のほかに内殻の軌道の電子が 1 個失われますから磁性を示し

34

表 4‐2 鉄、コバルト、ニッケル、銅の 3ｄおよび 4s 軌道の電子数
元素名、イオン名

総電子数

3dx2y2

3dz2

3dxy

3dxz

3dyz

4s

26

2

1

1

1

1

2

第 1 鉄イオン

Fe

2+

24

2

1

1

1

1

0

第 2 鉄イオン

Fe3+

23

1

1

1

1

1

0

コバルト原子

Co

27

2

2

1

1

1

2

ニッケル原子

Ni

28

2

2

2

1

1

2

銅原子

Cu

鉄原子

第 1 銅イオン
第 2 銅イオン

Fe

29

2

2

2

2

2

1

Cu

+

28

2

2

2

2

2

0

Cu

2+

27

2

2

2

2

1

0

ます。
自由に動き回っている状態から固体物質に固化するときには、原子やイオンや分子は集合して規則正しく整列しますが、そのそれぞれの小さな磁石は無秩序にあらゆる方向に向いていますから、互いの磁場は打ち消されてしまい物質全体としては磁性を示しません。
しかし、原子やイオンの持つ小さな磁場よりもはるかに大きな磁場の中で固体物質が生成する場合には、図 4−5 に示すようにすべての原子やイオンの小さな磁石は大きな磁場の方向に向けて整列します。固化した物質の中では原子やイオンは規則正しく整列していますが、それらの持つ個々の小さな磁石も一定の方向に向いているために、物質全体として磁性を示します。温度が低いために原子やイオンの運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さい固体の状態では、原子やイオンは整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来ませんから、それらの小さな磁石は整列したままでその秩序を保ちます。火山が作り出す火成岩中には磁性を持つ磁鉄鉱と呼ばれる鉄の酸化物(Fe3O4)が多く含まれています。高温で液状になった溶岩が冷されて固化するときに、地磁気の影響を受けてその中に含まれている比較的大きな磁性を持つ鉄の酸化物が一定方向にその磁石を揃えるために磁性を持った磁鉄鉱が生成するものと思われます。このように磁場の中で原子やイオンが集合し整列するとき、それぞれの小さな磁石が同一の方向に整列し、物質全体としても磁性を示しますので、強磁性体と呼んでいます。

S
N
N
S N S

S
N N
N
N S
S
S
N S
S
S N
N
S
N N S

図4−5

温度が少し高くなり原子やイオンの運動エネルギーが大きくなりますと、原子やイオンは整然

35

NS

N S N SN S N SN S N SN S N S NSN S N SN S N S

常磁性体の磁場での挙動

としたその配列を保つことが困難になります。構成している原子やイオンの運動エネルギーが大きくなるために、ある温度以上になりますと小さな磁石の方向が無秩序に向いて整列しなくなり、強磁性体の磁性が失われます。この磁性を失う転移温度以上では原子やイオンの小さな磁石があらゆる方向に自由に向きを替えますから磁性を示しません。表 4−3 には種々の物質の転移温度(Tc)を掲げておきますが、このように小さな磁石が乱雑な方向に向くために磁性を持たない性質を常磁性と呼んでいます。逆に、転移温度以上で常磁性の状態にある強磁性体に強い磁場を加えれば構成している原子やイオンの小さな磁石の方向が強い磁場の方向に整い、物質全体として磁性を示すようになりますので、この現象を磁化と呼んでいます。このままで磁場の中で転移温度以下に冷却すれば、発生した強磁性体の磁性は外部磁場を取り除いても残存しますから永久磁石として利用されます。
表 4‐3 強磁性物質の転移温度(℃)
物質名

分子式

転移温度

物質名

分子式

転移温度

塩化コバルト

CoCl2

-38

鉄金属

Fe

770

フッ化コバルト

CoF2

50

臭化マンガン

MnBr2・4H2O

3

酸化コバルトCoO

330

塩化マンガン

MnCl2・4H2O

2

コバルト金属

Co

1131

フッ化マンガン

MnF2

113

酸化クロム

Cr2O3

485

酸化マンガン

MnO

610

臭化銅

CuBr2

246

硫化マンガン

MnS

982

塩化銅

CuCl2・2H2O

5

塩化ニッケル

NiCl2

-68

塩化鉄

FeCl2

-48

フッ化ニッケル

NiF2

116

フッ化鉄

FeF2

117

酸化ニッケル

NiO

2000

酸化鉄

FeO

507

ニッケル金属

Ni

358

磁鉄鉱

Fe2O3

2940

ガドリニウム金属

Gd

16

物質の磁化する強さ(M)は外部磁場の強さ(H)に比例しますから、その比例定数を磁化率
χと呼び、式 4−2 のように表されます。温度が高いほど物質を構成している原子やイオンの運動エネルギーは大きくなりますから、その小さな磁石が外部磁場の影響で整列する
とき、磁化率にはその絶対温度(T)および転移温度(Tc)との間に式 4−3 に示す関係が成り立ちます。

M = χHCχ=
T − Tc

式 4‐2
式 4‐3

36

電流を流すとその直角の方向に磁力が発生しますが、電流には方向性がありますから、磁力にも NS の方向性が生じます。原子核の周囲を電子が動き回る原子においてもこの現象により磁石の性質が現れます。遷移金属元素をはじめ多くの原子が持っている不対電子が自転に相当する軌道を動くと小さな磁石の性質を持ちますが、外部の大きな磁場の影響
でそれらの小さな磁石が整列するときには物質は磁化されます。さらにそのまま転移温度よりも低い温度に冷却すれば、永久磁石が出来上がります。
典型元素は不対電子を最外殻に持っているために、共有結合やイオン結合により不対電子が対になって磁性を失いますが、鉄やコバルトやニッケルなどの遷移金属元素は内殻に不対電子をもっていますから、結合しても磁性を失うことが無く強磁性体の性質を示します。しかし、酸化亜鉛(ZnO)などのように、小さな磁石を持つ原子が酸素などの典型元素を介して互いに結合するときには、それぞれの小さな磁石が打ち消すように互いに相互作用して原子が配列し結合しますから、分子は全体として磁性を示しません。
原子が共有結合で結ばれている分子は自転に相当する軌道を動く電子による原子の小
さな磁石の性質を打ち消していますから磁性を示しませんが、各原子の周囲には負の電荷を持った電子が公転に相当する軌道を自由に運動しています。これらの電子の動きが一定方向に揃えば当然電流が流れ、磁石の性質を持つようになります。分子が外部からの大きな磁場の影響を受けるとき分子内の原子の配列には変化が起こりませんが、公転に相当す
る周囲の軌道を自由に運動している電子は外部磁場を打ち消すように軌道の方向を変化させます。結果として、磁性を示さない分子が外部磁場の影響によりその磁場を弱めるような磁性を誘起します。外部磁場を取り除きますと、即座に電子は乱雑な方向に運動する元の状態に戻りますから、誘起した磁性も失われます。そのためこのような物質を反磁性体と呼んでいます。
物質を構成している原子の性質やそれらが結合して分子を形作るときの結合の仕方などにより、外部磁場により誘起される磁性にも強磁性と常磁性と反磁性の 3 種があり、磁化の強さが異なります。
表 4−4 には主な物質の室温における磁化率を掲げておきますが、ここで反磁性体の磁化率は負の値で示されています。しかし、強磁性体は磁化しますと外部磁場に磁性体の磁場が蓄積されるように加わり磁化に影響を与える磁場がますます強くなりますから、磁化率を求めることができません。磁化されていない強磁性体を磁場の中に置きますと、誘磁率と呼ばれる磁化され易さに応じて、小さな原子の磁石が整列して行きどんどん磁化されてゆきますが、飽和磁足まで磁化されますと乱雑な方向を向く小さな磁石がなくなるためにそれ以上には磁化されません。誘磁率は外部磁場の強さにより影響されますから、表 4−5 には鉄を含む代表的な強磁性体の初期誘磁率と最大誘磁率と飽和磁足と保磁力を掲げておきます。この表からも明らかなように若干の炭素原子を含む鋼では誘磁率があまり大きくありませんが、鉄の純度が向上すると小さな磁石の整列を邪魔す
る不純物の原子が少なくなるために誘磁率は飛躍的に向上します。保磁力の大小により軟磁性なものと硬磁性なものの２種類に大別されますが、この飽和状態に磁化された強磁性37

表 4−4 室温における種々の物質の磁化率

物質

分子式

磁化率

物質

分子式

磁化率

アルミニウムAl

0.620 水素H2-1.970酸化アルミニウム

Al2O3-0.340 窒素

N2-0.800塩化アルミニウム

AlCl3-0.600 酸素

O2

106.200

カルシウムイオンCa

2+-8.000 硫黄

S8-0.490塩化カルシウム

CaCl2-0.490 塩素

Cl2-0.570

炭酸カルシウム

CaCO3-0.382 塩素イオン

Cl--26.000

塩化コバルトCoCl290.500 水

H2O-0.720酸化コバルト

CoO

74.500 炭酸イオン

CO32-

34.000銅Cu-0.850 無水珪酸

SiO2-0.493塩化銅

CuCl2

9.100 五酸化二燐P2O5-0.460酸化銅

CuO

3.800 硫酸

H2SO4

-0.406

硫化銅

Cu2S-0.180 黒鉛

C-6.000

ユーロピウムEu

200.000 クロロホルム

CHCl3-0.515塩化ユーロピウム

EuCl2

119.000 エタノール

C2H5OH-0.718

酸化第 2 鉄Fe2O3

20.600 アセトアルデヒド

CH3CHO-0.515

塩化第１鉄

FeCl2

101.200 酢酸

CH3COOH-0.533

塩化第 2 鉄FeCl386.200 酢酸エチル

CH3COOC2H5-0.626

マグネシウムMg

0.250 アセトアミド

CH3CONH2-0.577マンガン

Mn9.600 グリセリン

HOCH(CH2OH)2-0.618

塩化マンガン

MnCl2

107.000 アセトン

(CH3)2CO-0.585

二酸化マンガンMnO2

38.400 アラニン

H2NCH(CH3)COOH-0.567

ナトリウムNa0.680 エチルエーテル(C2H5)2O-0.766-5.000 コハク酸

(CH2COOH)2-0.490+ナトリウムイオンNa

炭酸ナトリウム

Na2CO3-0.240 トリエチルアミン(C2H5)3N-0.806

塩化ナトリウムNaCl-0.499 ベンゼン

C6H6

-0.702重曹

NaHCO3-0.210 アニリン

C6H5NH2-0.676

アンモニウムイオン

NH4+-11.500 フェノール

C6H5OH-0.640塩化アンモン

NH4Cl-0.605 トルエン

C6H5CH3-0.711硫酸アンモン(NH4)2SO4-0.429 安息香酸

C6H5COOH-0.640塩化ニッケルNiCl2

44.700 安息香酸エチル

C6H5COOC2H5-0.621

酸化ニッケルNiO

53.700 オクタン

C8H18

-0.845亜鉛

Zn-0.157 ナフタレン

C10H8-0.71938

表 4−5 強磁性体の磁化の性質

成分(％)

名前

Fe

Ni

Co

Mo

Mn

初期誘磁率

最大誘磁率

保磁力

飽和磁足

（Gm/A）（Gm/A）

（m/A）

（G）

Si

鋼

98.5

2

25

143

21000

鉄

99.91

3

63

80

21500

純鉄

99.95

63

2260

4

21500

けい素鋼

96

4

6

88

40

19700

けい素鋼

97

3

19

380

12

20000

パーマロイ

54.7

45

3

50

630

6

16000

パーマロイ

21.2

79

3

100

1260

4

10700

パーマロイ

16.7

79

4

3

250

1260

4

8700

スーパーマロイ

15.7

79

5

3

1260

10000

0

8000

パーメンダー

49.7

3

10

63

159

24000

50

体から外部磁場を取り除きますと、保磁力の大きな硬磁性の鋼やパーメンダーでは整列した小さな磁石が乱雑になることはありませんから、永久磁石となって強磁性体の磁性が保たれます。また、保磁力の小さな軟磁性のけい素鋼やパーマロイなどの強磁性体では外部磁場を取り除くとすみやかに磁性が失われてゆきます。
磁化されていない強磁性体を磁場の中に置きますと、図 4−6 の緑色の矢印のように誘磁率が大きいほど速やかに飽和状態まで磁化されます。磁化された強磁性体から外部磁場を取り除きますと、保磁力の大きな強磁性体では永久磁石となって磁性が保たれます。また、保磁力の小さな強磁性体では外部磁場を取り除くとすみやかに磁性が失われてゆきます。この飽和状態の磁石に逆方向の磁場を与えますと、原子の小さな磁石が磁石の強さその方向を反転しますから、図 4−6

飽和状態の赤色の矢印のように磁性が失われ、さらに逆方向の磁性が生じて飽和状態になります。再度外部磁場を反転させれば青色の矢印のように磁性が反0転して飽和状態に戻ります。この反復

磁場の強さ

変化は原子の整列のしかたの変化ですから、保磁力の大きな強磁性体では発熱などによる多少のエネルギーの損失を伴ってしまいます。
多くの原子はそれぞれ不対電子を

図4−6

39

強磁性体の磁化曲線

持っていますから小さな磁石の性質を持っていますが、これらの原子が共有結合するときには不対電子が対になり磁性を失います。不対電子を持つ原子が小さな磁石の性質を失うことなく規則的に整列して物質を構成するとき、物質全体として磁性を示します。ある転移温度よりも高温では原子の運動エネルギーが整列するための分子間力よりも大きくなるために、原子の小さな磁石は乱雑な方向を向いてしまい、その磁性を打ち消しあって物質全体としての磁性を失ってしまいます。

原子核の小さな磁石で身体の中を診断
前節で見てきたように電子は負電荷を持って原子核の周囲を動き回っていますから、これらの電子により原子の中を電流が流れ、Ampère の実験のように原子は磁性を持ちます。
云い替えれば、電子は動く方向に対して直角に向いたそれぞれ小さな磁石の性質を持っています。原子核を構成している陽子も正電荷を持っていますから、Ampère の実験のように原子核も磁性を持ちます。地球が太陽系の中を自転と公転をして動いているように、小さな原子核の中をこれらの陽子も自転に相当する軌道と公転に相当する軌道を動き回っています。自転に相当する軌道が 2 個の陽子で充足されるときにエネルギー的な安定化が起こ
りますが、それらの原子核は陽子が対になって互いの磁性を打ち消し合いますから磁性を示しません。しかし、陽子が奇数の原子核では陽子が対になっていないために原子核全体として磁石の性質を示します。
原子は相対的に質量の重い中性子と陽子が極めて小さな原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布しています。
平均的な元素では原子核の直径を 1mm とするときに電子の動き回る軌道の半径は 10m 以
上と考えられます。原子核の周囲に多くの電子が広い領域を運動していますから、物質の磁性は主として周囲の電子に依存していますが、原子核の中にわずかに自転に相当する軌道を運動している陽子も弱いながら磁性を示しています。外部からの磁場の影響の無いときには陽子の自転に相当する軌道の向きもあらゆる方向を向いていますから、物質の中では陽子由来の磁性は打ち消されてしまいます。しかし、大きな磁場の中に置かれた物質においては、陽子の極めて小さな磁石も図 4−5 のように一定方向に整列します。
このように外部磁場により整列した陽子の磁石は電磁波を吸収して、磁石を反転しエネ
ルギー的に不安定な反結合性軌道になります。当然、吸収したエネルギーを放出して元の安定な状態に整列しますが、このとき吸収した電磁波のエネルギーよりも放出するエネル
ギーの量が少なく、エネルギーの一部分は熱エネルギーなどに変化して陽子が浪費したよ
うに電磁波の吸収が観測されます。この外部磁場の影響下での電磁波の吸収の現象は核磁気共鳴吸収現象（ＮＭＲ）と呼ばれ、原子核の小さな磁石の反転に必要なエネルギーをΔE、外部の磁場の強さをＢ0、整列している磁石と反転する磁石の数をそれぞれ N０と Nex とする
ときに式 4−4 に示すようになります。ただし、ｋは Boltzmann 定数、ｈは Planck 定数、ｃは光の速さ、T は絶対温度、λは電磁波の波長を表し、それぞれの原子核が持つ磁石の40

表 4−6 種々の核種の核磁気モーメント

核種

天然存在比

スピン

核磁気モー

（％）

量子数

メント(nm)

核種

天然存在比

スピン

核磁気モー

（％）

量子数

メント(nm)1/2-0.55525

1

H

99.99

1/2

2.792743

29

Si

2

H

0.01

1

0.857407

31

P

100

1/2

1.13162

S

95.02

0

0

7

4.68

Li

92.5

3/2

3.256314

32

12

98.89

0

0

33

S

0.75

3/2

0.643420.702381

35

Cl

75.77

3/2

0.821808

24.23

3/2

0.68409100

2/5

3.46766

Fe

91.72

0

0

Co

100

7/2

4.648869.17

3/2

2.22664

C

13

C

1.11

1/2

14

N

99.63

1

0.40371

37

16

O

99.96

0

0

55

2.6285

56

19

F

100

1/2

Cl
Mn

23

Na

100

3/2

2.217529

59

27

Al

100

5/2

3.641421

63∆E = µB0 =∆EN ex= e kT
N0

Cu

hc

λ
式 4−4

強さを表す磁気モーメントμは表 4−6 に核磁子（nm）を単位として掲げておきます。ただし、核磁子は1.207ｘ10−30kcal/T の値を持っています。この関係式から、弱い磁場の中では磁石の整列した原子核が小さなエネルギーを持つ長波長の電磁波で少しだけ反転することを示しています。逆に、非常に強い磁場の中では整列した原子核がエネルギーの高くて波長の短い電磁波を吸収して、その原子核の磁石を多く反転させます。
天然同位元素比の高い水素（１H）の原子核は陽子 1 個で出来ており極めて小さな磁石の性質を持つ原子核で、この原子は大きな磁場の中では FM 放送の電波に用いられている
60〜600MHz の波長領域の電磁波を吸収します。水などのように水素原子を構成元素とする物質を 14100 ガウスの磁場の中に置きますと、1H の原子核の小さな磁石が 60MHz の電磁波を吸収します。同じように 141000 ガウスの磁場に置けば 600MHz の電磁波を吸収してより多くの反転した磁石を持つようになります。式 4−4 からも明らかなように原子核に影響を与える外部磁場の強さと吸収する電磁波の波長は反比例します。さらに、表 4−6 に掲
げたように種々の原子核が固有の磁気モーメントを持っていますから、大きな磁場の中では原子核の種類に対応した固有の電磁波を原子核の存在量に比例した強さで吸収します。
この核磁気共鳴吸収現象により、物質が吸収する電磁波の波長とその強度により含まれている原子核の種類と含有量を分析することができます。

41

前節で考えたように物質を構成している原子の性質やそれらが結合して分子を形作る
ときの結合の仕方などにより、原子核の周囲を動き回っている電子が外部磁場により誘起する磁性にも強磁性と常磁性と反磁性の 3 種があります。原子核の持つ極めて小さな磁石に比較して、強磁性体と常磁性体の周囲を動き回る電子は大きな磁性を示します。しかし、反磁性体は外部磁場のない環境では磁性を示しませんが、原子の周囲を取り囲んでいる電子が外部磁場によりその強さを弱めるような磁場を誘起します。物質を外部磁場の中に置くときには原子核の周囲を取り囲んでいる電子が外部磁場の影響を受けて、その強さを弱めるような磁場を誘起します。結果として、外部磁場は周囲を取り囲む電子により弱められて原子核に影響を与えますから、吸収する電磁波の波長も原子の周囲を取り囲んでいる
電子により変化します。
1960 年代になると電磁波の発振と強度測定の精度が向上し、その上ある程度大きな面積に均一で強度の高い磁場を与える磁石を用意することが出来るようになりましたので、水素原子を含む多くの物質の核磁気共鳴吸収現象を観測できるようになりました。日本国
内の第 1 号の多目的な核磁気共鳴吸収測定装置は東京都新宿区西新宿に設置されましたが、付近を直流電源の京王帝都電鉄の電車が走っていますので、電車が通過するたびに磁場が変化してしまい安定した状態での核磁気共鳴吸収測定をすることが出来ませんでした。そのため、測定時間が終電から初電までの電車の運行されない短時間のみに限られていました。その後の種々の技術的な進歩により、外界の影響なしに極めて一様で強力な磁場を作ることが出来るようになりましたので、多くの共有結合で結ばれた物質の 1Ｈの核磁気共鳴
吸収が測定されました。
電磁波の吸収波長は影響を与える磁場の強さに反比例しますが、核磁気共鳴吸収測定装置に用いられる磁場には必ずしも統一性がなくその上技術的な進歩により第 1 号機の磁石(9400 ガウス)に比較して現在の最先端の機種では約 20 倍も磁石が強力になっています。同じ物質を測定しても、単純に吸収波長が一致しません。そのために標準物質を決めその吸収する電磁波の振動数をν0、測定試料の吸収する電磁波の振動数をνとするとき、式 4−5 のような化学シフトの値δとして割合を示す ppm で表しています。しかし、原子核と周囲を取り囲んでいる電子が一体となって原子を構成していますから、電子の影響を全く受けない原子核の吸収する電磁波の波長を測定することは実験的に出来ません。初期の研究段階には溶媒や水などの種々の物質が標準物質として用いられていましたが、現在では反応性に乏しく化学的に極めて安定で測定試料と混合可能であり、非常に小さな振動数νを示す物質としてテトラメチルシラン(ＴＭＳ)が標準物質に用いられています。

δ=ν −ν 0
⋅106
ν0

式 4−5

磁場の中で水素原子を含む物質に電磁波を照射する場合でも、水素原子が陽イオンの場
合には、原子核の周囲に電子が全く取り囲んでいませんから、大きな周波数の電磁波を吸42収します。しかし、水素の原子核の周囲を囲んでいる電子の量が多ければ外部磁場を大きく打ち消しますから、比較的に小さな周波数の電磁波を吸収します。このように水素の原子核の周囲を取り囲んでいる電子の状態の違いにより、吸収する電磁波の周波数は変化します。原子核と周囲を取り囲んでいる電子が一体となって原子を構成していますが、その電子の量は周囲に結合している原子の種類や数により影響を受けます。原子は電子を欲しがる性質に応じた電気陰性度と呼ばれる物理量が知られていますが、隣接する原子との電気陰性度の大小により、その原子を取り囲んでいる電子の量が変化します。例えば、炭素に結合した水素原子は両者の電気陰性度にはあまり大きな違いがありませんから、その水素の原子核の周囲をほぼ 1 個の電子が取り囲んでいますが、電気陰性度が大きく電子を欲しがる性質を持つ酸素原子に結合した水素原子の原子核は周囲を取り囲む電子が 1 個よりも若干少なくなっています。原子核の周囲を取り囲むこの電子の量はごく僅かしか違いませんが吸収する電磁波は約 2〜3ppm ほど変化します。多くの共有結合で結ばれた物質に対する 1Ｈの核磁気共鳴吸収の測定結果が報告されていますが、参考のために種々の原子や原子団に隣接するメチル基(CH3)の平均的な化学シフトの値を隣接する原子の電気陰性度とともに表 4−7 に掲げておきます。
同じ 1 Ｈの原子核の電磁波吸収でも、その水素原子が隣に

表 4−7

CH3 の化学シフト(ppm)と電気陰性度

結合している原子や原子団の種類や数により、化学シフトのCH3-X

値が微妙に異なりますから、

CH3-H

0.23

2.20

種々の物質の核磁気共鳴吸収（CH3)4Si

0.00

1.90

を測定して得られる化学シフ

CH3-CH3

0.88

2.60

トの値からその物質を構成しCH3-NH2

2.47

3.00

ている水素原子の置かれていCH3-SH

2.00

2.50

る環境や結合の情報を逆に得CH3-OH

3.38

3.50

CH3-I

2.16

2.65

CH3-Br2.68

2.95

CH3-Cl

3.05

3.15

CH3-F

4.26

3.90

ることが出来ます。水素原子は水やアミノ酸や石油など生活に密着した物質の中に普遍的に含まれており、分子構造に関する情報を非常に多く得るこCH3 の化学シフト

X の電気陰性度とが出来ますから、化学的研究には欠かすことの出来ない測定機器として用いられるようになっています。そのうえ、1Ｈの核磁気共鳴吸収は比較的感度も高く容易に測定することが出来ますが、それでも結合に関する情報を得るためには 0.01ppm すなわち 1 億分の 1 まで化学シフトの精度が要求されます。東京都新宿区西新宿に設置された 1 号機は近くを通る電車により磁場を 0.01ppm ま
で均一に保つことができなかったために、電車の運行時間には 1Ｈの核磁気共鳴吸収の測定

43

をできませんでした。
天然同位元素比の高い窒素(14N)やフッ素(19F)や燐(31P)も表 4−6 に示すように磁気モーメントを持っていますから、それらの原子核は小さな磁石の性質を持っています。さらに、人間をはじめ多くの生物が炭素を含む物質で構成されていますから、天然存在比がわずかに 1％程度しかありませんが、炭素の同位元素 13C が磁気モーメントを持っていることは極めて注目すべき性質と思われます。フーリエ解析による積算技術や超電導材料を用いた強力な磁石の技術など各種の技術の進歩により、13C の核磁気共鳴吸収も容易に測定できるよ
うになりました。また、極めて少量の試料、固体試料、気体試料など種々の形態の試料も測定できるようになりました。
特殊な場合を除いて、強力な磁場も 60〜600MHz の電磁波も人間をはじめとするほとんどの生物にとってあまり危害を加えるものではありませんから、生体物質を生きたままで測定することができます。極めて大きく均一な磁石を作る技術が開発されたために、近年では人間も測定できるようになりました。さらに、位相数学の考え方を利用して、試料の3 次元的な測定も可能になってきましたから、これらの最先端の技術を総合的に利用した

磁気共鳴映像法（MRI）が完成されました。病人の頭をそのまま磁石の中に入れ、そこに電磁波を照射して水の分子の濃度を 3 次元的に調べますと、頭の中の毛細血管まで手術することなく形が分かりますから、病人の脳の異常を診断できるようになりました。さらに、細胞膜や DNA や ATP などの生物にとって最も重要な物質はいずれもりん酸のエステルですが、MRI により燐の原子の分布を測定することにより、細胞密度の異常など病気の患部を間接的に見ることが出来るようになります。著者は幸いにまだこの診断法を受けたことがありませんが、何の痛痒も感じないものと想像でき、この核磁気共鳴吸収を用いた MRI
は原子核の極めて小さな磁石が化学や生物学の研究に役立つばかりでなく、医学の分野でも重要な働きをしていることを示しています。

右手で発生する電流
Ampère の実験により電流を流すとその直角の方向に磁性の発生することが明らかになってからは、多くの物理学者は逆に磁気が電流を生じるのではないかと考えるようになりました。10 年後に Faraday は電線を巻いたコイルの近くで磁石を動かすと、磁場の変化を打ち消すような方向に電流がコイルに流れることを見出しました。電線を巻いたコイルを磁場の中で移動させてもコイルと磁場の位置関係が Faraday の実験と同じになりますから、コイルの中に電流が流れます。この現象は電磁誘導と呼ばれ、コイルに流れる電流の強さ V は
磁場Φの時間的変化に比例します。ここで磁場にもコイルの移動にも流れ

44

る電流にも方向性がありますから、Fleming はこの電磁誘導により流れる電流の方向を解り易くするためにそれぞれの関係を図 4−7 に示すような右手の法則に要約しました。さらに、ここで用いられるコイルの電線の巻き数 N を多くすれば、誘導される電流の強さも強くなりますから、この電磁誘導の現象をまとめますと式 4−6 の関係式で表されます。

V = −N

∂Φ
∂t

式 4−6

磁場の中でコイルを回転させれば磁場の時間的変化に比例して電磁誘導現象によりコ
イルの中に電流の流れが発生しますから、この発生する電流を外に導き出すことにより、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電ができます。逆にコイルの中で磁石を回転させても磁場の時間的変化に比例した電流がコイルの中に発生しますから発電機となります。磁石として永久磁石を用いた発電機では、磁場の強さが反対方向に変化するためには永久磁石が半回転しなければなりませんから、一定時間内の回転数が大きいほど磁場の時間的変化も大きくなり発電される電流量も大きくなります。永久磁石を用いた発電機では回転部分に電流を流す必要がありませんから、構造が簡単で保守が容易になります。表4−5 に掲げた強磁性体の飽和磁足から考えて最も強力な永久磁石の磁場は約 20000 ガウス

ですが、大型の永久磁石をつくることがむずかしく、そのうえ磁場の強さを調整することができませんから、自転車や自動車用の小型の発電機には適していますが、大電力を供給する発電所の発電機には適していません。
電磁石は電線を磁性材料にコイル状に巻いて電流を流して磁力を発生させ、磁性材料を磁化した磁石です。真空中の誘磁率μ0 が 1.256ｘ10-2Gm/A ですから、式 4−1 によれば 1
アンペア流れる電線にほぼ密着した 1mm の所で約 10 ガウスの磁石の強さになり、電流量
I に比例した強さの磁場を生じます。永久磁石と同等の磁石を作るためには 2000 アンペア

以上の大電流を流さなければなりませんが、そのような大電流を流すとエネルギーの損失も大きくなります。電磁石の強さはコイルの巻き数と流す電流の量に比例しますが、巻き数を多くすればコイルに用いる電線の長さが長くなりますから、通電の折の電気抵抗が大きくなり電圧を上げなければ電流量は減少してしまいます。
強磁性体は形作っている原子の小さな磁石が外部磁場の影響を受けて整列し磁石の性質を持ちますから、生じた磁場が外部磁場に加わって全体の磁場が強められます。この強磁性体に外部磁場の影響を与え続けますと図４−６に示すように、与え続けた磁場の影響が蓄えられて磁場はますます強められます。強磁性体を形作っている原子の小さな磁石がすべて整列しますと、最早、磁石の強さが向上せず飽和します。電磁石は磁性材料に長い電線をコイル状に巻いた構造をしていますが、強磁性体を磁性材料に用いコイルに電流を流しますと、コイルに発生する磁場の影響が蓄えられるように電磁石の強さは飽和状態まで強められます。この飽和状態に磁化された強磁性体から外部磁場を取り除きますと、保磁力の大きな硬磁性の鋼やパーメンダーでは永久磁石となって強磁性体の磁性が保たれま45

すし、保磁力の小さな軟磁性のけい素鋼やパーマロイなどの強磁性体ではすみやかに磁性が失われてゆきます。
けい素鋼は誘磁率と飽和磁足が大きな値を示し保磁力が小さい軟磁性を示しますから、けい素鋼を磁性材料としてコイルを巻きつけますと、コイルに発生する磁場の影響を蓄える強力な大型の電磁石まで製作できます。けい素鋼は保磁力が小さいために、コイルに流す電流量に即応するように磁石の強さが変化しますから、出力 106ｋｗを越えるような大電力を供給する発電機に用いることができます。発電所では、永久磁石を用いた小型の発電機で発電した電流をけい素鋼の電磁石のコイルに流して強力な磁場を作り出して、この電磁石を別の大きなコイルの中で回転させて、コイルに 2 次的に大電力を発電しています。
このけい素鋼の電磁石を回転させる動力として、水車を用いれば水力発電、風車を用いれば風力発電になります。石油の燃焼や核分裂反応で発生する熱エネルギーでお湯を沸かしてその水蒸気の流れを用いればそれぞれ火力発電や原子力発電になります。
保磁力の小さなけい素鋼にコイルを巻いた電磁石はコイルに流す電流量に即応するよ
うに磁石の強さが変化しますから、この電磁石に発生する磁場の変化により引き起こされる電磁誘導の現象により、電磁石に巻きつけた別のコイル(２次コイル)に電流が流れます。
発電所で発電される電気は東日本では 50Hz、西日本では 60Hz の周期で電流の方向が変化する交流電流ですから、この交流電流をこの電磁石のコイルに通電すれば、磁場の方向と強さは同じ周期で逆転しながら変化します。交流電流を通電することにより電磁石に生じる磁場の変化により電磁誘導し、2 次コイルに同じ周期の電流が発生する変圧器を作ることができます。ここで、1 次コイルに流す電圧と電流量をそれぞれＶ1 とＩ1、２次コイルに流れる電圧と電流量をそれぞれＶ2 とＩ2 とするときに、電磁石に巻き付けた 1 次コイルの巻き数Ｎ1 により電磁石の強さは比例しますし、式 4−6 で明らかなように 2 次コイルの巻き数Ｎ2 に比例した電流が電磁誘導により 2 次コイルに発生しますから式 4−7 のような関係式が成り立ちます。

I 2 V1 N1==
I 1 V2 N 2式 4−7

コイルの近くで時間的に磁場の強さが変化する時には、電磁誘導と呼ばれる現象によりコイルに電流が流れます。発電所の発電機は石油の燃焼や核分裂による水蒸気タービンや水車や風車などにより磁石を回転させて磁場の強さを変化させてコイルに電流を発生させています。また、電流量が常に変化する交流電流を電磁石に通電して磁場を時間的に変化させることにより、交流の周期と等しい交流の電流を発生させる変圧器も電磁誘導の現象を利用しています。このように重要な役目を担っている電磁石は鉄原子の持つ不対電子が小さな磁石の性質を持ち、その小さな磁石が外部磁場を打ち消すように整列することにより作られています。電磁石の芯となる磁性材料はその誘磁率や飽和磁足や保磁力などの性質の違いにより、永久磁石や発電用など種々の目的に適するように用いられています。

46

5.

温度で変わる電気の通り易さ

金属中を電子が移動して電流が流れる
金属原子の最外殻軌道は電子が充足されていませんから、他の原子に属する電子により軌道を充足されて結合します。2 個の金属原子の結合した分子に隣接する 3 番目の金属原子が接近するとき、2 個の原子を結び付けている電子が 3 番目の金属原子の原子核とも相互作用しますから、新たに結合を形成します。さらに、4 個でも 5 個でも金属原子が集合すれば、電子をそれぞれ出し合って結合を形成しますが、それらの結合に関与する電子はみな共有するように結合性軌道を充足してゆきます。金属原子が集合して 3 次元的に整然と並んだ固体において全ての原子が相互作用して、集合体を構成する全ての原子が互いに結合し、その全ての最外殻の電子を共有して 1 個の分子のようなものを作り上げます。このように金属元素が集合して相互作用するときに、原子が互いに引き付け合う結合を金属結合と呼んでいます。
最外殻に 1 個の電子を持つｎ個の金属原子が集合して相互作用するときにはｎ個の軌道ができますが、そのうちの半分がエネルギー的に安定な結合性軌道で、そこに充足する
ようにｎ個の電子が 2 個ずつ入ります。残りの半分の軌道はエネルギー的に不安定な反結合性軌道で、電子が充足されずに空になっています。3g のリチウム金属の塊では n が 6x1023
であるように金属原子が集合した金属ではｎが極めて大きな値ですから、各軌道はエネル
ギー的に多少安定性が異なっていても各軌道間のエネルギー差は極めて小さくなり、電子は各軌道間を容易に移動できる帯のようになり、バンドと呼んでいます。電子が充足している結合性軌道のバンドを価電子帯、電子が充足されず空になった反結合性軌道のバンド
を伝導帯、2 つのバンドの間を禁制帯あるいはバンドギャップと呼んでいます。この価電子帯のバンドを充足している電子は各原子に帰属していませんから極めて流動的で自由電子と呼ばれています。
金属の塊の先端に外部から電子を入れ込みますと、価電子帯には電子が充足していますから伝導帯に入ります。伝導帯は電子が充足されずに空になっていますから、入った電子はその帯の中を自由に動き回ることができ、容易に金属の塊の末端にも電子が移動します。
この末端で電子を外部に放出すれば、電子が先端で入り金属の塊の中を通って末端から出てゆき、結果として金属の塊の中を電流が流れたことになります。ここで、価電子帯から伝導帯に電子が移動するためには禁制帯を飛び越えなければなりませんから、当然相当するエネルギーを要します。また、伝道帯にしか電子の入れる空席はありませんから、外部から電子を入れ込む時にも同じように相当するエネルギーを要します。伝導帯への電子の移動や入れ込みに要するエネルギーの大きさは禁制帯の大きさに依存します。大きな禁制帯を持つ金属では高い電圧で大きなエネルギーを帯びた電子しか伝導帯に入ることができませんから、電流が流れ難く電導性をほとんど示しません。逆に、小さな禁制帯をしか持たない金属では、わずかな電圧しか示さない小さなエネルギーを帯びた電子でも伝導体に47

入ることができますから、電流が流れ易く高い電導性を示します。
太い水道管は大量の水を流すことができ、細い水道管は少ししか水を流すことができません。同じように物質の太さとその流れ易さにより、物質の中を流れる電流の量が変化します。そのため断面積 1cm2 の物質を 1cm の長さを電流が流れる時に生じる電気抵抗で電導性を表していますので、電化製品に広く用いられている種々の金属や合金の電気抵抗率を
表 5−1 に掲げておきます。表から明らかなように金や銀や銅のような貴金属類は最も電
表 5−1 種々の金属や合金の電気抵抗率(ρ)と温度係数(α)
金属

成分

ρｘ106(Ωcm)

α

銀

Ag

1.63

0.00407

アルミニウムAl

2.74

0.00435

金

Au

2.31

0.00397

ビスマス

Bi

コバルト

Co

9.71

クロム

Cr

2.6

銅

Cu

1.73

0.00429

燐青銅

Cu(96%)、Sn(3.7%)、P(0.3%)

4

0.00350黄銅

Cu(70%)、Zn(30%)

60.00170

コンスタンタンCu(55％)、Ni(45%)

490.00001鉄Fe

100.00621鋼Fe(99%)、C(1%)

20.6

0.00400

けい素鋼

Fe(95.5%)、Si(4.5%)

62.5

0.00075

ステンレス 430

Fe(82%)、Cr(18%)

60ステンレス 301

Fe(74%)、Cr(18%)、Ni(8%)

72

水銀

Hg

94.7

0.00099

マグネシウムMg

4.31

0.00390

ニッケル

Ni

11.8

0.00634

ニクロム

Ni(80%)、Cr(20%)

100

0.00002

鉛

Pb

20.7

0.00421

白金

Pt

11

0.00387

アンチモン

Sb

39

0.00473

錫

Sn

11.3

0.00447

タングステンW

5

0.00464

亜鉛

Zn

5.92

0.00416114

48

0.00446
0.00658

気抵抗率が小さく、アルミニウムやマグネシウムなどの軽金属類がこれに続きます。若干
非金属性を示す鉛やビスマスなどはかなり電気抵抗が大きくなり、低い電導性を示します。

電気を通す有機化合物
現在までに性質の明らかになっている化合物は約 15000000 種類と推定されていますが、そのうちの 90％以上は構成する原子が共有結合で結ばれている物質です。共有結合にはそれぞれの原子に属する電子のうちの 1 個ずつが相互作用する単結合、2 個ずつが結合に関与する 2 重結合、3 個ずつが関与する 3 重結合の 3 種類があります。単結合では図 2−4 (A)のように結合軸の上で相互作用してσ結合と呼ばれる結合を形成します。2 重結合では 2個の電子が結合軸上で相互作用するσ結合を作っていますが、残りの 2 個の電子は軸上に存在せず直交軸上に存在します。σ結合で結ばれた原子間の距離は小さく、直交軸上の電子は図 2−4(B)に示すように側面が重なり合うために相互作用し、π結合として 2 重結合を形作ります。
2 つ以上の二重結合が単結合と交互に結合することを共役すると呼んでいますが、表 5−2 には標準的な単結合化合物のエタンや二重結合化合物のエチレンと比較して、共役した構造を持つ 1,3-ブタジエンの結合距離と最も安定な分子の構造を掲げておきます。この表から明らかなように、1,3-ブタジエンの 2 つの二重結合はエチレンの結合距離に比較して長く、2 つの二重結合を結び付けている単結合はエタンよりも短くなっています。また、2つの二重結合を単結合が結び付けていながら、1,3-ブタジエンを構成している 10 個の原子は二重結合のようにすべて同一平面上に位置する構造をしています。図 5−1 に示すように 1,3-ブタジエンは 4 個の炭素原子がσ結合で結ばれ、それらの炭素原子には直交軸上にそれぞれ 1 個ずつの電子が存在しています。これらの炭素原子はσ結合で結ばれて近接していますから、直交軸上の電子の側面が重なり合い相互作用して 3 つのσ結合の上に 2 つのπ結合が形作られます。4 個の炭素原子の間にπ結合が拡がり相互作用することにより、
1,3-ブタジエンの場合には総結合エネルギーが 5kcal/mol ほど大きくなります。このようにπ結合が相互作用することを共鳴といい、その共鳴により増加した結合エネルギーを共鳴
エネルギーと呼んでいます。
表 5−2 共役化合物の分子構造の特徴と共鳴エネルギー

炭素−炭素結合距離

構造

共鳴エネルギーエタン

1.54 A

正 4 面体構造

0 kcal/mol

エチレン

1.34 A平面 120°0 kcal/mol

1.35 A、1.46 A

平面 E 型構造

5 kcal/mol

1.39 A

平面正 6 角形構造

36 kcal/mol

1,3‑ブタジエン
ベンゼン

49

図5−1

4個のsp2型炭素から共役2重結合

1,3-ブタジエンでは共役したπ結合の直交軸上のπ電子は 4 個の炭素原子上に拡がっていますが、多くの二重結合が共役した構造を持つ分子においても同じように直交軸上のπ電子は構成するすべての炭素原子上に拡がっています。白川博士は図 5−2 のようにアセチレンを重合させて非常に多くの二重結合と単結合が交互に結合した共役ポリアセチレンの合成に成功し、2000 年にノーベル化学賞を受賞していますが、この物質においても直交軸上のπ電子は構成するすべての炭素原子上に拡がっています。炭素原子の直交軸上のπ電子が他の炭素原子に属するπ電子と相互作用して、結合性軌道と反結合性軌道の 2 個の軌道を生じ、結合性軌道が 2 個のπ電子で充足されます。1,3-ブタジエンでは直交軸上の近接する 4 個の電子が相互作用して、空の 2 個の反結合性軌道とともπ電子で充足された 2個の結合性軌道を生じます。炭素原子の直交軸上のｎ個のπ電子が共役して相互作用する
ときにはｎ個のπ結合の軌道ができますが、そのうちの半分がエネルギー的に安定な結合性軌道で、そこに充足する
ようにｎ個の電子が 2 個ず
つ入ります。残りの半分の軌道はエネルギー的に不安

HC CH
アセチレン

重合

定な反結合性軌道で、電子が充足されずに空になって

図5−2

H 2C

H
C

C
C
CH
C
H n
H
ポリアセチレン

アセチレンの重合います。
ポリアセチレンのように多くの二重結合が共役してｎが極めて大きな値のときには、各軌道はエネルギー的に多少安定性が異なっていても各軌道間のエネルギー差は極めて小さ
くなり、金属の塊の場合と同じように電子は各軌道間を容易に移動できる帯のようになります。電子が充足している結合性軌道は価電子帯、電子が充足されず空になった反結合性
軌道は伝導帯のようになり、充足している電子は各原子に帰属していませんから極めて流
動的で自由電子のように挙動します。共有結合で結ばれた物質は一般的にあまり電導性を示しませんが、ポリアセチレンのように長く共役した多くの二重結合を持つ物質は有機電導体と呼ばれて金属に近い電導性を示します。
分子式が C6H6 のベンゼンは 19 世紀に性質が明らかになった極めて安定な化合物ですが、炭素原子の原子価が 4 価であることを考えると多くの二重結合や三重結合を分子の中に含んでいることになります。Kekűle は 3 本の二重結合と単結合が交互に 6 角形に結ばれ共役した構造を考えました。その後、 3 本のπ結合が強く共鳴しその共鳴エネルギーが 36
50

kcal/mol と見積もられ、ベンゼンの分子構造が図 5−3 のように平面正 6 角形をしていることも明らかになりました。このことから正 6 角形の 6 本のσ結合の上に 3 本のπ結合は拡がり、直交軸上のπ電子は自由に移動できると思われます。分子式が C10H8 のナフタレン
ではベンゼン環が密着して連続し、直交軸上の 10 個のπ電子も環上に拡がり自由に移動できる構造をしています。
黒鉛のすべての炭素原子は亀甲模様に正 6 角形が無限に繋がった平面構造をしており、

図5‑3 6個のsp2型炭素からからなるベンゼン環

直交軸上のπ電子も構成するすべての炭素原子上に拡がって共鳴しています。当然、炭素原子の直交軸上のｎ個のπ電子にはｎ個のπ結合の軌道ができますが、そのうちの半分がエネルギー的に安定な結合性軌道で、そこに充足するようにｎ個の電子が 2 個ずつ入ります。残りの半分の軌道はエネルギー的に不安定な反結合性軌道で、電子が充足されずに空になっています。黒鉛はベンゼン環が無限に繋がっており、無限に大きな数のπ電子が共鳴していますから、電子が充足している結合性軌道は価電子帯、電子が充足されず空になった反結合性軌道は伝導帯のようになり、充足しているπ電子は各原子に帰属していませんから極めて流動的で自由電子のように挙動します。そのために黒鉛はポリアセチレンのように有機電導体として金属に近い電導性を示します。ベンゼンが大きな共鳴エネルギーを持っているために化学的な反応性に乏しく安定な物質ですが、黒鉛も同じように極めて安定な物質ですから、酸や塩基の中などの過激な反応条件の下でも変化しません。そのために二酸化マンガンを用いる汎用のマンガン乾電池の陽極材のように、電池や電気分解などの電極として広く用いられています。
ブドウ糖が長く鎖状に繋がったセルロースを酸素のない条件で高温に加熱しますと、揮発性の水などが熱分解により取り除かれて骨格の炭素原子だけが残り木炭になります。
Edison が白熱電球の研究において、発光部分となるフィラメントに種々の物質を試しまし

たが、竹の繊維を高温で炭化した炭を最終的に用いて白熱電球を完成させました。このとき竹の繊維を構成しているセルロースは分子の骨格を形作っている炭素原子だけが残り炭化します。この竹の炭は化学的に安定なベンゼン環の繋がった物質であるために、電導性を示しフィラメントとして適していました。
アクリルアミドやアクリロニトリルを重合したポリアクリルアミドやポリアクリロニ
トリルは代表的なプラスティックとして大量に製造されていますが、これらのプラスティ
ックを繊維状に変形した後に酸素のない条件で高温に加熱しますと、図 5−4 に示すよう

51

に水やアンモニアなどの揮発性成分が取り除かれて炭化します。繊維状のポリアクリルア
ミドやポリアクリロニトリルは炭素原子が共有結合により長く繋がっていますから、竹の炭と同じようにこの炭素の骨格が黒鉛のようにベンゼン環が長く繋がった物質に炭化します。しかも繊維の形状を保ったままで炭化しますから、炭素繊維と呼ばれるベンゼン環の繋がった繊維が作られます。炭素繊維は軽くて大きな引っ張り強さを持っていますが、脆くて壊れ易いために柔軟性の高いプラスティックで固められてテニスラケットやゴルフクラブなどに利用されています。この炭素繊維はベンゼン環が黒鉛のように長く繋がった構造をしていますから、有機電導体としての性質の利用も期待されています。

CONH2
H2C

CH

CONH2
H2 C

C
n
H
ポリアクリルアミド

重合

アクリルアミドCN
H2C

CH

アクリロニトリル

CN
重合

C
H n
ポリアクリロニトリル

図5−4

H2 C

-H2O
-NH3
炭化

Cn
炭素繊維

-NH3
炭化

Cn
炭素繊維

炭素繊維生成反応

金属中の電子の動き難さで測る体温
金属結合した金属の塊では整然と並んだ金属原子の間に最外殻電子が相互作用して、価電子帯に電子が充足し、伝導帯は電子が空の状態になっています。整然と並んだ金属原子を広く覆っている伝導帯の端に電子を入れ込めば、この空の伝導帯の中を電子は電流となって自由に移動してゆきます。水が水道管を流れてゆく時に、途中が曲がりくねったり邪魔なものが詰まっていたりする場合には流れが乱されて流れ難くなります。金属原子に隙間ができていたり、多少並び方が乱れていたりすれば、同じように電子も自由な移動が乱されるために電流が流れ難くなります。
純粋な金属では同じ大きさの金属原子がその金属結合の強くなるように密着して集合していますから、原子と原子が隙間なく整然と並んでいます。しかし、2 種以上の金属原子が混ざりながら集合した合金においては、それぞれの原子の大きさが異なりますから、密着して整然と並ぶことができません。当然、原子間に隙間が生じ伝導帯を移動する電子の移動も乱されてしまいますから電導度が若干低下します。例えば、クロムは電導性の非常に良い金属ですから、クロムを含む合金のステンレス 430 では電気抵抗がクロムの含有量に比例して減少すると思われますが、主成分の鉄の 6 倍も電気抵抗が増加してしまいます。表 5−1 に掲げた例の中でも、銅を主成分とする合金や鉄を主成分とする合金において、主成分の割合が低くなるほどに電気抵抗の大きくなる傾向が見られます。
52

第 3 章で考えたように、物質は固体と液体と気体の 3 種の状態に変化しますが、そこには構成している原子や分子の間に働いている分子間力とそれらの構成粒子がもつ運動エネ
ルギーの均衡の仕方が影響します。分子間力は金属結合やクーロン力や水素結合や van der
Waals 力などの力を総合したもので、構成する粒子の間の距離に反比例します。これに対して運動エネルギーは粒子の質量とその運動の速度に関係する関数であり、運動の速度は温度が上昇するほど大きくなります。金属の状態は原子間に働く金属結合と金属原子の持つ運動エネルギーの均衡の仕方で決まります。低い温度では、金属原子の運動エネルギーが小さく、原子間の距離が小さく整然と原子が並びますから固体の状態になり、高い電導性を示します。温度が若干上昇しますと、金属原子の持つ運動エネルギーも若干大きくなり、
原子間距離が大きくなりますから金属結合も若干弱まります。固体状態では金属原子間に顕著な隙間ができるわけではありませんが、電子の自由な移動が若干阻害され電気抵抗が増大し電導性が低下してきます。このような温度による金属の電気抵抗の変化は式 5−1に示すような 1 次関数で近似することができ、t℃における電気抵抗率ρｔは 0℃における電気抵抗率ρ0 と温度係数αから算出することができます。ここで温度係数αは 0℃と 100℃
における電気抵抗率をそれぞれρ0 とρ100 とするときに、式 5−2 で定義され表 5−1 に併せて掲げておきます。

ρ t = ρ 0 (1 + αt )
ρ − ρ0α = 100
100 ⋅ ρ 0

式 5−1
式 5−2

式 5−１が 1 次関数ですから、低温になれば電気抵抗率は小さくなり高温になれば大きくなります。当然一定の電圧を加えておけばその金属に流れる電流量は温度が低いほど大きくなりますから、電流量で温度を測定することができます。白金は容易に精製でき、化学変化を受け難いために経年変化が小さく再現性に優れていますが、その上に− 200 〜
650℃の広い温度範囲で温度と電気抵抗の間に式 5−1 の比例関係がありますから広く測温抵抗体に用いられています。とくに、JPT100Ωは 0℃で 100Ωの抵抗を持つ白金測温抵抗体として JIS 規格が決められています。17 世紀に発明された温度計は 18 世紀に入ると水銀を用いるようになりましたが、温度計の破損により拡散する水銀の毒性が近年になって問題になって来ました。そこで、日常生活に密着した体温計なども測温抵抗体が用いられるよ
うになっています。また、温度変化が電流の変化として測定できますから、信頼性の高い
温度検知器(温度センサー)として空調設備や冷蔵庫やオーブンレンジなど多くの電化製品の中に組み込まれています。
さらに、種々の物質の量を測定するガスクロマトグラフィーの TCD 検知器にもこの測温抵抗体が用いられてきました。熱した物に冷たい風が当れば物は冷やされますが、そのとき比熱の大きな気体が当たれば強く冷やされ、比熱の小さな気体ではあまり冷やされま53

せん。ガスクロマトグラフィーは気体の混合物から構成する気体をそれぞれ分離する装置
ですが、電流を流して熱したタングステン線をこの分離した気体の流れの中に晒しますと、
表 5−3 に掲げたように気体は種類により定圧比熱が異なりますからタングステン線の冷やされ方も異なります。温度変化をしたタングステン線は電気抵抗の温度係数が 0.00464
ですから、当然、電流量の変化を引き起こします。この電流量の変化から分離された気体の量を定量します。この TCD 検出器を装備したガスクロマトグラフィーにより、東京都庁前など国内各地で大気を汚染している一酸化窒素や二酸化硫黄やベンゼンなどの公害物質
も二酸化炭素やメタンなどの温室効果ガスも連続して測定されています。
表 5−3 種々の気体の定圧比熱（cal/deg･g･mol）

物質名

分子式

定圧比熱

物質名

分子式

定圧比熱

ヘリウム

He

4.97

塩素

Cl2

8.45

アルゴン

Ar

4.97

アンモニア

NH3

8.58

酸素

O2

6.23

メタン

CH4

8.77

一酸化窒素

NO

6.36

二酸化炭素

CO2

8.96

窒素

N2

6.80

二酸化硫黄

SO2

9.27

水素

H2

6.86

二硫化炭素

CS2

10.90

塩化水素

HCl

6.95

エタノール

C2H5OH

17.59

一酸化炭素

CO

6.96

ベンゼン

C6H6

19.53

硫化水素

H2S

8.27

四塩化炭素

CCl4

19.93

水蒸気

H2O

8.38

ヘキサン

C6H14

35.13

温度が変化したり異質の金属が混合したりすることにより、金属原子の間に隙間ができていたり、多少並び方が乱れていたりすれば、電子の自由な移動が乱されますから電流が流れ難くなり電気抵抗が変化します。体温計や電化製品の温度センサーやガスクロマトグ
ラフィーの検知器など多くの物にこの現象が利用されています。

火のないところに煙を立てる電気
Joule は 1847 年に電流が流れると物質が発熱することを見出しましたので、そのとき発生する熱を Joule 熱と呼んでいます。電流と電圧と電気抵抗の関係を表すオームの法則を考
え合わせますと、Joule 熱 Q は物質の両端に負荷する電圧を V、その物質の電気抵抗を R、物質を流れる電流量を I、電流を流す時間を t とするときに、式 5−3 のような関係式で表すことができます。また、金属などの物質固体中の電気抵抗 R は式 5−4 のように電気抵
抗率ρと物質の長さℓ に比例し、断面積 a に反比例します。エネルギーの保存則は物理学の基本となる原則ですが、ここで Joule 熱となって熱エネルギーが発生するときには電流の54持つ電気エネルギーが減少しますので、式 5−3 は電気エネルギーの熱エネルギーへの変換の関係を表しています。

V2
Q = VIt = RI t =
t
R
ρ ⋅l
R=
a
2

式 5−3
式 5−4

通常の電線に使われている銅も電流を流せば Joule 熱を発生しますが、表 5−1 に掲げた
ように電気抵抗率ρの値が小さいので、非常に細い線か非常に長い線の場合を除いて、大きな電流を流さなければあまり発熱しません。しかし、大電力を発電する発電所は電気の大量消費地からは遠く離れた所にありますから、大きな電流量を送電しなければなりません。例えば、大電力を発電している茨城県の鹿島火力発電所から東京都心まで直線距離で約 90km 離れていますが、この間の銅線の電気抵抗は太さが 1cm2 であれば 17.3Ωとなり、100cm2 であれば 0.173Ωとなります。もし、毎時 4ｘ109W の電力を 4ｘ105V の高電圧で送電しますと太さが 1cm2 の電線ではすべて Joule 熱に変化してしまい東京都心まで約 60％しか送電できませんが、太さが 100cm2 であれば 99％以上の電力が送電でき電力の損失が0.4％に止まる計算になります。現在の送電は空中に架けられた銅製の電線を通して行われており、Joule 熱による発熱量に比べて容易に放熱しますから、電線の温度上昇による抵抗の変化がなく銅線が送電用に適しています。しかし、銅の比重は 8.93g/cm3 ですから太さが100cm2 の銅線 1m の重さは約 90kg となり、平均して 300m の間隔で建てられている鉄塔に架けられた銅線の重さは 1 本の電線で 27t になり、通常 3 本 1 組で送電されますから電線の重さは 81t になります。地震や強風などの自然災害への対応を考え合わせますと、このように重い電線を支えるためには非常に堅牢な鉄塔が必要になります。また、電圧を高くすれば電流量は小さくなりますから大電力を送電しても Joule 熱として損失する電力は小さくなりますが、強い磁場の発生に伴い周囲に電波障害をもたらし、湿度や塩害による大地への放電や漏電などの電力の損失が大きくなります。長距離を送電する場合にはこれらの種々の要素に加えて、電線の素材となる銅の価格や発電に要する燃料の価格などの経済性も絡み合って現在の送電技術が用いられていますが、経済環境の変化や技術の進歩によりさらに送電技術も変化して行くことでしょう。
電導性を持つ金属や合金に大量の電流を急激に流しますと、放熱量よりも大量の Joule
熱が発生しますから、温度が上昇して電気抵抗が増大します。温度の上昇が金属や合金の融点を超えると液化して断線してしまい、電流の流れを遮断します。電気抵抗率とその温度計数を表 5−1 に掲げておきましたし、第 3 章で取り上げたように鉛と錫を主体とする融点の低い合金に大量の電流が流れますと、瞬時に融けて断線してしますからヒューズとして用いられています。多くの電化製品の電源に近い部分にこのヒューズの電線を直列に接続しておきますと、不慮の故障などにより定額以上の電流が電化製品に流れた時には、発55

生する Joule 熱により断線し易いヒューズの特性が働いて電流を遮断しますから、電化製品の安全装置の役割を果たします。
放熱を抑えながら電流を流して Joule 熱を利用する場合には、銅線は発熱により温度が上昇しますとρの値が大きくなりますから、急激に発熱量が増大して銅の金属が融けて断線してしまいます。そのために銅は電流を流すことにより発熱させる素材としては不適当と考えられます。同じようにタングステン線も電気抵抗率ρが小さく、温度係数は大きな値を持っていますが、タングステンが 3300℃以上の非常に高い融点を持っていますから、急激に発熱量が増大しても融けることがなく明るく輝きます。この急激に発熱して高温になり明るく輝く性質は白熱電球のフィラメントに適しているために広く照明器具に用いられています。これに対して、ニッケルとクロムの合金のニクロムは大きな電気抵抗を持っていますから、比較的太いニクロム線でも電流を Joule 熱として熱エネルギーに変換することができます。その上ニクロム線の電気抵抗の温度係数は非常に小さく高温においてもほ
とんど電気抵抗の値が変化しませんから流れる電流量にも変化がなく、温度により発熱量が変化しません。そのためにニクロム線は高い温度まで安定した発熱を可能にします。このような電気抵抗の特性から、ニクロム線は調理器具や暖房器具や乾燥器具など種々の高温を必要とする電化製品の熱源に用いられています。
第 4 章にまとめたように、けい素鋼を磁性材料としてコイルを巻きつけますと、コイルに電流を流して発生する磁場の影響を蓄える強力な電磁石を製作できます。けい素鋼は保磁力が小さいために、コイルに流す電流量に即応するように磁石の強さが変化しますから、
この電磁石に発生する磁場の変化により引き起こされる電磁誘導の現象により、電磁石に巻きつけた別のコイル(２次コイル)に電流が流れます。この電磁石のコイルに交流電流を通電すれば、磁場の方向と強さは交流電流と同じ周期で逆転しながら変化し電磁誘導しますから、2 次コイルに同じ周期の電流が発生する変圧器を作ることができます。この電磁石のコイルに交流電流を通電して発生する同じ周期で逆転しながら変化する磁場に、鍋などの金属製の器を近づければ、電磁誘導の現象により同じ周期で器の金属中を電流が流れます。器の素材が鉄やステンレスの場合には大きな電気抵抗を持っていますから、この電磁誘導による電流は Joule 熱を発生します。このように電磁誘導により発生する Joule 熱を利用して加熱する方法を IH ヒーターと呼び、近年家庭用の調理器具として利用されるようになりました。IH ヒーターは原理的に適当な電気抵抗を持つ電導性の良い器でのみ発熱し、銅製やアルミニウム製の器では電導性が良過ぎるために熱効率が悪くなります。また、プラスティックやガラスの器や陶磁器では全く加熱することができません。
Joule の見出した電気エネルギーから熱エネルギーへの変換の現象は多くの電化製品の中に利用されてきました。暖房器具や調理器具や乾燥器具などにおいて高温に加熱する目
的で Joule 熱が利用されていますが、白熱電球やヒューズなど生活を快適にまた安全性を高める目的でもこの現象が利用されています。さらに近年では IH ヒーターのように間接的な電磁誘導による新しい加熱方法まで開発されていますが、送電時のエネルギーの損失など

56無視できない負の影響もあり、技術改良が求められています。

電気が永久に流れ続ける超電導
前の節で考えたように、金属の状態は原子間に働く金属結合と金属原子の持つ運動エネ
ルギーの拮抗の仕方で決まります。低い温度では、金属原子の運動エネルギーが小さく、原子間の距離が小さく整然と原子が並びますから固体の状態になり、高い電導性を示します。温度が若干上昇しますと金属原子の持つ運動エネルギーも若干大きくなり、原子間距
離が大きくなりますから金属結合も若干弱まります。固体状態では金属原子間に顕著な隙間があるわけではありませんが電子の自由な移動が若干阻害され、電気抵抗が増大し電導性が低下してきます。このような温度による金属の電気抵抗の変化は式 5−1 に示すような
1 次関数で近似することができます。電導性の良い銅とアルミニウムのそれぞれの温度計

数 0.00429 と 0.00435 をこの関係式に代入しますと、約−230℃でρの値が 0 になり、全く電気抵抗を示さないと計算されます。この関係式があくまで近似式であり、極限に近い低温における状態を表しているわけでは有りませんが、非常に低い温度においては金属原子の運動はほとんど停止してしまい、電子が自由に移動できる状態になると思われます。実際、−271.08℃(1.18K)まで冷却しますとアルミニウムは電気抵抗の全くない状態になることが観察されています。
極めて低い温度で電気抵抗がほとんど 0 になる不思議な状態を求めて多くの研究がなされ、水銀を−269℃（絶対温度、4.2K）まで冷却すると 10−5Ω以下まで電気抵抗が小さくなることが見出され、超電導状態と名付けられました。この状態では電子は金属の中を全く阻害されることなく自由に動き回ることができますから、一度、電流が流れ始めると Joule
熱の発生などによる電気エネルギーの消耗がないままに永久に流れ続けます。また、磁石の上に超電導体を置きますと、外部磁場を打ち消すように金属結合している電子は自由に動き回ります。磁場を取り除いても電流は永久に流れ続け、反磁性の性質も永久磁石のよ
うに持続します。この現象は Meissner により発見されましたので Meissner 効果と呼び超電導状態を判定する目安になっています。この目安を基にした超電導の性質を示す多くの物質が見出されており、表 5 − 4 にはその物質の元素組成と超電導性を示す臨界温度とMeissner 効果による磁石の強さ（臨界磁場）を掲げて起きます。

磁性材料に電線をコイル状に巻けば電磁石となりますが、磁石の強さはコイルの巻き数とコイルに流れる電流量に比例します。コイルの巻き数に比例して電線の長さは増加しま
すから、電線の電気抵抗が増加してしまいます。結果として、大きな Joule 熱を発生してしまうために、大量の電流を流すことができず強い電磁石を作ることは困難でした。しかし、超電導状態の電線を磁性材料に巻けば、Joule 熱を発生することなく大量の電流を永久に流し続けることができますから、非常に強力な電磁石を作り出すことができます。第 4 章では、核磁気共鳴吸収現象を利用して炭素を中心元素とする物質の結合の状態が明らかにできるばかりでなく、人間の身体の中まで全く傷つけることなく観察できることを述べてま57

表 5−4 代表的な超電導物質の臨界温度(℃)と臨海磁場(テスラ)

構成元素

臨界温度

臨界磁場

構成元素

臨界温度

臨界磁場

Pb

-266

Nb19O

-266

Nb

-265

NbN

-256

Sn

-269

ZrN

-262

V

-268

Mo6PbS8

-258

50

Zr

-273

Sr2La2CuO4

-236

76

TiNb

-263

13

Ba2YCu3O7

-178

170

Nb3Sn

-255

26

Sr2CaCu2Bi2O8

-188

400

Nb3Al

-254

33

Sr2Ca2Cu3Bi2O10

-163

200

Nb3Ge

-249

37

Ba2Ca2Cu3Tl2O10

-148

200

V3Ga

-256

25

Ba2Ca2Cu3TlO9

-151

200

ZrV2

-262

24

Ba2Ca2Cu3HgO8

-138

SrBi3

-268

BaPbO3-260

Nb6SnAs-255

BaBiO3-243

BiNb6Sn-255

Rb2CsC60

-240

47

50
49

した。この核磁気共鳴吸収現象の精度と感度は磁場の強さに比例して向上しますから、超電導状態の電線を利用した電磁石が利用可能になり、核磁気共鳴を利用する技術が格段に進歩しました。特に、人間の身体の中を観察する MRI はこのような電磁石の開発で飛躍的に進歩改良され普及しました。
超電導状態の電線を利用することにより非常に強力な電磁石を作ることができますか
ら、電車のような大きな重量を持つ物体も磁石の反発力で浮き上がらせることができ、磁石の引力と反発力を巧みに利用することによりその物体を地表に接触することなく移動させることができます。この機構を利用したリニヤモーターカーが夢の超特急列車として現
在山梨県内で実現に向けて研究されています。
このように、Joule 熱を発生しない不思議な状態は計算機や核融合炉など多くの分野での利用法が検討されていますが、未解決の問題も多々存在しています。温度が若干上昇しますと原子の持つ運動エネルギーも若干大きくなり原子間距離が大きくなりますから、電子の自由な移動が若干阻害され、電気抵抗が増大し電導性が低下してきます。表 5−4 からも分かるようにいずれの超電導物質もきわめて低い温度領域でのみその性質を示しています。現在、核磁気共鳴装置やリニヤモーターカーに利用されている超電導電磁石は沸点が−268.94℃（2.49K）の液体ヘリウムで冷却していますが、ヘリウムは大気中には全く存在せず、北米の地中からわずかに採取できるのみで極めて貴重で高価な物質です。このため、

58

超電導の性質を利用するためには、現在では非常に高い運転経費を要します。
これに対して、沸点が−195.8℃の液体窒素は空気を冷却すれば容易に得られる冷媒ですから、この温度以上で超電導の性質を示す物質が実用化されれば、飛躍的に容易に高い経済性を持って超電導の性質を利用した技術が普及する物と思われます。さらに、冷却することなく室温付近の温度領域で超電導の性質を示す物質の発見のために多くの研究がなされています。

59

6.

世の中を変えたコンピューター

地殻の中に多量に含まれる半導体の素材
1 個の電子の関与する原子がｎ個集合して相互作用するときにはｎ個の軌道ができます

が、そのうちの半分がエネルギー的に安定な結合性軌道で、そこに充足するようにｎ個の電子が 2 個ずつ入ります。残りの半分の軌道はエネルギー的に不安定な反結合性軌道で、電子が充足されずに空になっています。原子が集合した物質ではｎが極めて大きな値ですから、各軌道はエネルギー的に多少安定性が異なっていても各軌道間のエネルギー差は極めて小さくなり、電子は各軌道間を容易に移動できる帯のようになり、バンドと呼んでいます。電子が充足している結合性軌道のバンドを価電子帯、電子が充足されず空になった
反結合性軌道のバンドを伝導帯、2 つのバンドの間をバンドギャップあるいは禁制帯と呼んでいます。この価電子帯のバンドを充足している電子は各原子に帰属していませんから
極めて流動的で自由電子と呼ばれています。
銀や銅のような金属の塊の場合では 2 つのバンド間の禁制帯が非常に小さいために、原子を結び付けている電子は価電子帯と伝導帯の間で相互に往き来します。このような金属では伝導帯に電子が容易に移動するために高い電導性を示します。しかし、けい素やゲルマニウムなどのように金属結合性よりも共有結合性の優った結合で原子が結び付けられている場合には、2 つのバンド間の禁制帯が大きくなります。炭素の化合物でも黒鉛やポリアセチレンではπ結合が共役していますから、2 つのバンド間の禁制帯が小さく金属のよ
うに電導性を示しますが、全ての結合がσ結合で結ばれたダイヤモンドでは 2 つのバンド
間の禁制帯が大きくなります。そのために、結合に関与している電子は価電子帯から伝導帯への移動にかなり高いエネルギーを要します。逆に、伝導帯から価電子帯への電子の移動にはエネルギーの放出を伴います。高い電位を持つ電子であれば伝導帯に移動することができますから電流が流れますが、低い電位しか持たない電子では伝導帯に移動することができず電流は流れません。このように特別な条件の時にのみ電導性を示す物質を半導体と呼んでいます。
けい素やゲルマニウムは表 2−1 に示す周期律表の 14 族に属して最外殻に 4 個の電子を持っていますが、共有結合性が大きいために同じく 14 族に属する炭素がダイヤモンドを形作るように、けい素やゲルマニウムも結晶を作ります。これらの物質は大きな禁制帯を持っていますから電導性をほとんど示さず半導体として振舞います。13 族に属して最外殻に3 個しか電子を持たないホウ素やアルミニウムやガリウムと 15 族に属して最外殻に 5 個の電子を持つ窒素やりんや砒素の間には配位結合により共有結合と類似の性質を持つ安定な結合が形成されます。原子半径の類似した原子同士が結びついたガリウム砒素などはけい素やゲルマニウムの結晶と同じような禁制帯を持つ結晶を形作ります。表 6−1 には比較的禁制帯が大きく電導性を示さない半導体物質の禁制帯をエネルギーの大きさを表す eVを単位として掲げて起きます。14 族に属する炭素とけい素とゲルマニウムを比較して分か60

るように、周期律表の表 6−1 半導体物質の禁制帯と電磁波の波長上段にある元素ほど共有結合性が大きく

物質

元素組成

禁制帯

波長(nm)

なり、禁制帯も大きく

ダイヤモンドC

5.3 eV

235

なる傾向が見られまけい素

Si

1.2 eV1033

す。

ゲルマニウムGe

0.7 eV1850

窒化アルミニウムAlN

5.9 eV210

窒化ガリウムGaN

3.4 eV365

リン化ガリウムGaP

2.3 eV539

ガリウム砒素GaAs

1.4 eV886

禁制帯は価電子帯と伝導帯の間のエネルギー差ですから、価電子帯へ電子を移動させるためにはかな
り高いエネルギーを要しますが、紫外線から赤外線までの波長領域の電磁波の持つエネルギーがこの禁制帯のエネルギーに相当しますので、表 6−1 には半導体物質の禁制帯に相当する電磁波の波長も掲げておきます。ちなみに、人間の眼には 380〜770nm の波長領域の電磁波は可視光線として認識することができますが、これよりも短波長の電磁波は紫外線、長波長の電磁波は赤外線と呼ばれています。多くのこれらの物質はダイヤモンドのように電磁波に対して透明で電磁波をほとんど吸収をしませんが、表 6−1 に掲げたこれらの物質が対応する波長の電磁波を吸収しますと、価電子帯の電子は禁制帯を飛び越えて伝導帯に移動することができます。逆に、伝導帯から価電子帯への電子の移動には対応する波長の電磁波が発光する
光エネルギーの放出を伴います。
けい素やゲルマニウムは 14 族に属して最外殻に 4 個の電子を持っていますが、15 族に属する窒素やりんや砒素は最外殻に 5 個の電子を持っています。14 族の原子が規則正しく整列している金属結晶の中に少量の 15 族の原子が不純物として混ざりますと、その部分だ
けに電子が過剰のままでｎ個の原子が相互作用しながら集合した構造を保ちます。しかし、価電子帯は既に 2 個ずつの電子で充足されており、集合した構造の中で過剰になった電子は伝導帯に移動して極めて流動的に他の原子へ移動して過剰部分を解消しますから、15 族の原子は 4 個の電子を持つことになり陽イオンとなります。同時に過剰の電子は伝導帯の中を自由に動き回ります。全体として、図 6−1（A）に示すように、不純物として含まれる 15 族の原子は陽イオンになり集合した構造の中で固定されていますが、ｎ個の原子が集合して相互作用している構造の中に陽イオンの数と同数の電子が点在して自由に動き回ります。このように 15 族原子が不純物として含まれ、電子が過剰になっている 14 族原子の集合した物質をｎ型半導体と呼んでいます。
他方、13 族に属するホウ素やアルミニウムやガリウムは最外殻に 3 個しか電子を持っていません。最外殻に 4 個の電子を持つ 14 族の原子が規則正しく整列している結晶の中に少量の 13 族の原子が不純物として混ざりますと、その部分だけに電子が不足したままでｎ

61

Si

Si

Si

Si
P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si
P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si
Si

Si

Si

Si

Si
P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

（Ａ）ｎ型半導体
Si

Si

Si

Si

Si
Si

B

Si

Si
Si

Si

Si

Si

Si

Si
Si

Si

Si

Si

Si
Si

Si

B

Si
Si

Si

Si

Si

Si

Si
Si

Si

Si

Si

Si
Si

B

Si

Si
Si

Si

Si
Si

Si
Si

（Ｂ）ｐ型半導体

図6−1

半導体物質の模式図

個の原子が相互作用しながら集合した構造を保ちます。しかし、この価電子帯の電子は各原子に帰属しておらず極めて流動的で、不足した部分に他の原子から電子が移動して不足部分を補充しますから、13 族の原子は 4 個の電子を持つことになり陰イオンとなります。
同時に電子を供給した 14 族の原子は電子が不足しますから、陽イオンになります。このよ
うに電子の不足した原子を正孔と呼んでいますが、次々に電子が自由に移動してゆきますから正孔も次々に移動してゆきます。全体として図 6−1（B）に示すように、不純物として含まれる 13 族の原子は陰イオンになり集合した構造の中で固定されていますが、ｎ個の原子が集合して相互作用している構造の中に陰イオンの数と同数の正孔が点在します。このように 13 族原子が不純物として含まれ、電子が不足して正孔が点在している 14 族原子の集合した物質をｐ型半導体と呼んでいます。13 族原子の陰イオンと等しい数の正孔により電気的に常に釣り合っていますから、ｐ型半導体の末端で正孔が電子を受け取って消滅
しますと、別の所で電子を放出して正孔が作られます。結果として、正孔が電子を運ぶよ
うにｐ型半導体の中を電流が流れます。
このように炭素やけい素やゲルマニウムなどの 14 族の原子が規則正しく整列した結晶
では価電子帯と伝導帯の間の禁制帯が大きいために、ほとんど電導性を示さず半導体として働きます。このほかに 13 族の原子と 15 族の原子が種々組み合わされた結晶も同じような性質を示しますが、組み合わせによりその禁制帯の大きさなど半導体の性質が異なり、その利用法も大いに異なります。これらの物質は不純物が含まれていると規則正しく整列した結晶構造をとることができませんから、半導体の性質を利用するためには不純物が10ppt（1x10−9％）以下の極めて高い純度が要求されます。けい素は地殻中の岩石などの中に満遍なく多量（27.7％）に含まれる元素ですから極めて安価に原料の供給ができますが、高い純度まで精錬するためには高い技術と大量のエネルギーを要します。そのために原油価格の高騰と足並みを揃えるように半導体の素材となる金属けい素の価格も高騰します。
例えば、2005 年 6 月からの 3 年間に原油の価格が約 2 倍に跳ね上がりましたが、金属けい
素もこの間に 2 倍以上高騰して、2008 年 6 月には 1ｔ当たり 170＄の価格で取引されている極めて高価な物質となっています。

62

整流や発光や太陽光発電をするダイオード
前節で述べたように、ｎ型半導体は 15 族原子を不純物として含む 14 族原子の集合した物質ですが、15 族原子が最外殻に 5 個の電子を持っていますからその付近は電子が過剰になります。集合した構造の中でこれらの過剰になった電子は伝導帯に移動して極めて流動的に他の原子へ移動して過剰部分を解消しますから、15 族原子は 4 個の電子を持つことになり陽イオンとなり、同時に過剰の電子は集合した 14 族原子の塊の中を自由に動き回ります。全体として、15 族原子の陽イオンと負電荷を持つ電子の数が等しく電気的には電荷を打ち消しています。他方、ｐ型半導体は 13 族原子を不純物として含む 14 族原子の集合した物質ですが、13 族原子が最外殻に 3 個しか電子を持っていませんからその付近は電子が不足しており、他の 14 族原子から電子が移動して不足部分を補充します。結果として、13族原子は 4 個の電子を持つことになり陰イオンとなり、同時に電子を供給した 14 族の原子
は電子が不足しますから陽イオンになり正孔として動き回ります。全体として、13 族原子の陰イオンと動き回る正孔の数が等しく電気的には電荷を打ち消しています。このとき、ｎ型半導体の 15 族原子もｐ型半導体の 13 族原子も 14 族原子が相互作用しながら集合した構造の中に取り込まれていますから、自由に動くことができず固定されています。
このように伝導帯に過剰な電子を持つｎ型半導体と正孔を持つｐ型半導体を電子が移動できるように滑らかに接合しますと、図 6−2 に示すように当然、接合界面を越えてｎ型半導体部分の伝導帯からｐ型半導体部分の伝導帯へ電子が移動し、ｐ型半導体部分で伝導帯から正孔の部分へ電子が移動して電荷を中和しますから、接合部の 14 族原子は価電子
ｐ型半導体

ｎ型半導体

図6−2

ダイオードの模式図

両界面の接合
ｐ型半導体

接合界面

ｎ型半導体

ｐ型半導体

接合界面

ｎ型半導体

接合界面

ｎ型半導体

n型からｐ型へ電子移動
ｐ型半導体

接合界面

ｎ型半導体

n型へ電子流入p型へ電子流入
ｐ型半導体

：電子
：正孔
：13族原子の陰イオン：15族原子の陽イオン

63

帯には電子が充足し、伝導帯では電子が空になって過不足のない状態になります。接合前には、ｎ型半導体は過剰な電子と 15 族原子の陽イオンで、またｐ型半導体は 13 族原子の陰イオンと正孔で電気的に電荷を打ち消していましたが、接合により界面を越えて電子が移動してしまいましたから、ｎ型半導体の部分では移動のできない 15 族原子の陽イオンが残り、ｐ型半導体の部分では移動のできない 13 族原子の陰イオンが残ります。結果として、界面を挟んでｎ型半導体側の接合部分は正に帯電し、ｐ型半導体側の接合部分は負に帯電します。
ｎ型半導体とｐ型半導体を接合した物質では、接合界面を挟んでｎ型半導体側は正に、ｐ型半導体側は負に帯電しますから、ｎ型半導体部分に負の電極をｐ型半導体部分に正の電極を付けて電子をｎ型半導体部分からｐ型半導体部分へ流しますと、接合界面を挟んで生じている電位差を中和するようにｎ型半導体の中を電子が移動して接合界面に至ります。
同時に、ｐ型半導体に付けた電極から電子が流れ出ますから、同じ数の正孔がｐ型半導体
部分に生まれてきます。伝導帯を移動してきた電子は接合界面を越えてｎ型半導体部分の伝導帯からｐ型半導体部分の伝導帯へ電子が移動し、さらにｐ型半導体部分で伝導帯から正孔の部分へ電子が移動して電荷を中和しますから、両電極間に電流が流れます。逆に、ｎ型半導体部分に正の電極をｐ型半導体部分に負の電極を付けて電子をｐ型半導体部分か
らｎ型半導体部分へ流そうとしても、接合界面を挟んでｎ型半導体側が正になるような電位差がありますから、電流は極めて流れ難くなっています。このようにｎ型半導体とｐ型半導体を接合した物質では、ｎ型半導体部分からｐ型半導体部分へは電流が流れますが、反対方向には流れませんから、電流を一方向にしか流さない整流作用を示します。常にｎ型半導体に付けた電極は陰極に、ｐ型半導体に付けた電極は陽極になりますから、2 つ（Di）の電極（Electrode）を持つものという意味でダイオード（Diode）と呼ばれて、広く電化製品を制御する心臓部に用いられています。
ダイオードに電流を流しますと、ｎ型半導体部分の伝導帯から接合界面を越えてｐ型半導体部分の伝導帯へ電子が移動し、ｐ型半導体部分で伝導帯から価電子帯の正孔の部分へ電子が移動して電荷を中和します。このとき伝導帯から価電子帯への移動において放出される禁制帯のエネルギーは、通常、熱エネルギーとして発散されます。しかし、表 6−1 に掲げたように禁制帯のエネルギー差は紫外線から赤外線までの波長領域の電磁波のエネル
ギーに相当しますから、この伝導帯から価電子帯への移動によるエネルギーを電磁波として放出すれば、ダイオードは光り輝きます。このようなダイオードを発光ダイオードと呼び、種々の半導体の組み合わせにより多くの色の光を生み出します。この発光ダイオード
は電流の流れる時の電気エネルギーを直接光エネルギーに変換する物ですから非常にエネ
ルギー効率が良く、しかも、原理的に禁制帯の大きさに相当する非常に狭い波長領域の単色光を発光します。そのために、自動車の制御灯や交通信号などに広く使われるようになっています。
発光ダイオードのｐ型半導体部分に禁制帯に相当する光を照射しますと、ｐ型半導体部

64

分では価電子帯から伝導帯へ電子が移動して新たに正孔を生じ、ｐ型半導体部分の伝導帯から接合界面を越えてｎ型半導体部分の伝導帯へ電子が移動して行きます。この現象は発光ダイオードが発光する現象の逆の変化で、光エネルギーを吸収してｐ型半導体部分からｎ型半導体部分へ電子が流れて電気エネルギーに変換されます。このような逆の変化を利用すれば光を検知する光センサーの働きをしますから、種々の電化製品に組み込まれています。さらに、ダイオードが光を吸収する段階で光の反射や透過など種々の技術的な問題が含まれていますが、太陽光から電気エネルギーを生み出す太陽光発電の可能なことが分かります。

トランジスターは不純物を巧みに混ぜ込んだ半導体
ｎ型半導体は 14 族の原子が規則正しく整列している結晶の中に少量の 15 族の原子が不純物として混ざっていますから、その部分だけに電子が過剰のままでｎ個の原子が相互作用しながら集合した構造を持っています。しかし、価電子帯は既に 2 個ずつの電子で充足されており、集合した構造の中で過剰になった電子は伝導帯に移動して極めて流動的に他の原子へ移動して過剰部分を解消しますから、15 族の原子は 4 個の電子を持つことになり陽イオンとなります。同時に過剰の電子は伝導帯の中を自由に動き回ります。不純物として含まれる 15 族の原子は陽イオンになり集合した構造の中で固定されていますが、ｎ個の原子が集合して相互作用している構造の中に陽イオンの数と同数の電子が点在して自由に動き回りますから電導性を示します。このｎ型半導体の間に 13 族原子の陰イオンと動き回る正孔を持つｐ型半導体を挟み込みますと、2 つの接合部分にはそれぞれダイオードが形作られ逆向きに接続します。
ここで 2 つの部分に分かれたｎ型半導体部分に陰極と陽極の 2 つの電極をそれぞれ付けて電流を流しても、一方の陰極からｐ型半導体部分へのダイオード部分は電流を流します
が、他方のｐ型半導体部分から陽極へのダイオードは電流を流すことができませんから、2個の電極の間には電流を流すことができません。さらに、間に挟まっているｐ型半導体部
分にも電極を取り付けますと、前節で述べたように陰極の付いたｎ型半導体部分からｐ型
半導体部分へ電子が流れます。接合界面を越えた電子はｐ型半導体部分の電極から流れ出てゆきますから、ｎ型半導体部分の陰イオンもｐ型半導体部分の陽イオンも中和されて接合界面を挟んで発生していた電位差が低下します。このときｐ型半導体部分の陽イオンが中和されますから、陽極の付いているｎ型半導体部分との電位差も小さくなり、2 つの部
分に分かれたｎ型半導体部分の 2 つの電極間にも電流が流れます。図 6−3 のように 3 つの半導体を接合した物を NPN トランジスターと呼んでおり、ｎ型半導体部分に付いた陰極はエミッタ、ｐ型半導体部分に付いた陽極はベース、ｎ型半導体部分に付いた陽極はコレ
クタとそれぞれ名前がつけられています。
エミッタからｎ型半導体部分へわずかな電子を流すときには、接合部分を挟んでｎ型半導体部分の負の電位もｐ型半導体部分の正の電位も若干小さくなりながらベースへ電子が65流れます。ｐ型半導体部分の正の電位が若干下がればｐ型半導体部分からｎ型半導体部分
を通してコレクタへの電子の移動がわずかながら可能になります。ここで、エミッタからベースへの電子の流れが多くなるほどエミッタからコレクタへの電子も流れ易くなります。
云いかえれば、コレクタからエミッタへ流れる電流量はベースからエミッタへの電流量に比例します。この関係から、トランジスターはベースとエミッタとの間の電流量に比例した多くの電流量をコレクタからエミッタに流す増幅の作用を持っています。

ｎ型半導体

ｎ型半導体

ｐ型半導体

両界面の接合n型からｐ型へ電子移動

ベースからエミッタへ通電

コレクタからエミッタに電流

エミッタ

コレクタ

ベース

：電子
：正孔

図6−3

：13族原子の陰イオン：15族原子の陽イオン

トランジスターの模式図

66

わずかな数の 13 族原子の陰イオンと正孔しか持たないｐ型半導体部分が挟み込まれている NPN トランジスターの場合には、ベースからエミッタに流す電流量が少なくてもｐ型
半導体部分の 13 族原子の陰イオンは完全に中和されてしまい、もはや電位の低下が起こらない飽和状態になりますから、コレクタからエミッタへの電流量を一定に保つことが出来ます。その上、ベースからエミッタへのわずかな電流量の変化でコレクタからエミッタへの電流量を非常に鋭敏に断続することができます。そのため現在広く用いられている NPN
トランジスターは間に挟まっているｐ型半導体部分が非常に薄く作られています。
NPN トランジスターとは逆の関係を持つ PNP トランジスターは、ｐ型半導体の間にｎ型半導体を挟みこんだ構造を持っており、電子の移動にかわるｐ型半導体の正孔の移動により電流の増幅や断続の働きをします。この PNP トランジスターは 1960 年代までの開発の初期には多く用いられていましたが、現在ではあまり用いられていません。トランジス
ターが実用化される以前には、電球のような真空管による電流の整流作用や断続作用を利用してラジオや TV などの電化製品が作られていましたが、これらの作用を生み出すためには真空管内の電線を高熱に加熱して電子を放出しなければなりませんでしたから、多量の電気エネルギーを浪費していました。1954 年に東京通信工業（後のソニー）がトランジスターの増幅作用を用いたラジオを市販して以来、ラジオや TV ばかりでなく多くの電化製品の心臓部にトランジスターはダイオードとともに組み込まれるようになりましたが、トランジスターが非常に小型でエネルギー効率も格段に高いために、現在では真空管はほとんど完全にトランジスターに駆逐されてしまいました。

電流の断続で考えるコンピューター
我が家の愛犬は約 10 種類の泣き声と目や身体の動きで伝えたいことを表現しています
が、人間は目や身体の動きのほかに言葉を使って伝えたいことを表現します。直接互いに面と向かっている時には、身振り手振りなどの表現法が極めて有効で種々多様な内容まで伝達することができます。しかし、遠く離れた人間同士や時を異にする人間同士では、この方法では伝えたいことを全く表現できません。そのように間接的に物事を伝達する場合には文明の未発達な時代の人間は絵を描いて表現していました。文明が発達して伝達した
い内容が整理されてゆくと、その内容に応じた絵を象形化するようになり、漢字のように意味を持つ多くの文字を用いるようになりました。しかし、表意文字と呼ばれるこの意味を持つ文字を用いる方法はその文字を互いに共通認識しなければなりませんから、利用するためには極めて多くの基礎知識と多くの文字を必要とします。
日本人は本来文字を持っていませんでしたから、同じような音の漢字を選んで話し言葉に当てて表現しました。その後長い年月の間にそれらの当て字が簡略化されて、48 文字ず
つの平仮名と片仮名が完成しました。英語も仮名文字のような話し言葉の音に対応する 26
文字のアルファベットを並べて用いて表現していますし、ドイツ語ではアルファベットのほかに ä と ë と ö と ü と β の 5 文字を加えて物事を伝達しています。生物の 38 億年にわた67

る発生以来の進化の歴史が記録されている DNA はデオキシリボースのりん酸エステルの
長い分子の側鎖にアデニンとグアニンとシトシンとチミンの 4 種類の環状化合物が結合した構造をしています。日本語が仮名文字の並べ方で、また英語がアルファベットの並べ方
で内容を表現するように、図 6−4 に示す核酸塩基と呼ばれるこれらのアデニンとグアニ
ンとシトシンとチミンの 4 種類の環状化合物の X の部分が長い分子の鎖の上に結合して、その並ぶ順序により内容が表現されています。

NH2

O
N

N
N

N

N

HN
H2N

N

X
アデニン

NH2

O

N

N

O

X
グアニン

CH3

HN
N

O

X
シトシン

N
X
チミン

図6−4 4種類の核酸塩基の構造

長い鎖の最先端の側鎖に結合する核酸塩基の種類は 4 種のうちの 1 種であり、第 2 番目の側鎖に結合する核酸塩基の種類も 4 種類の可能性がありますから、この 2 個の側鎖に並ぶ核酸塩基の組み合わせは 16 種類になります。ｎ個の側鎖にこれらの 4 種類の核酸塩基が並ぶ並び方の数は 4ｎですが、DNA の n が極めて大きな値を持っていますから、生物の発生以来の長い進化の歴史を充分に表すことができます。
長い電線に電流を流しますと、電線の端まで電流が流れてそこでベルを鳴らしたり、白熱灯を光らせたりすることができます。しかも、電線を断続すれば電線の中を流れる電流が断続しますから、ベルが発する音も白熱灯が発する光も対応して断続します。このように電流を断続させることにより、光や音が容易に点滅する電流の特性を利用して、アメリ
カ人の Morse は長短 2 種類の電流の点滅を行って伝えたい内容を遠距離で伝達する方法を考案しました。長短 2 種類の情報を組み合わせて表 6−2 に掲げた Morse 信号を作り、この信号の約束に従った長短 2 種類の電流の点滅を行い、受信した相手もこの約束に従って信号を解読するものです。例えば、
・・・‐‐‐・・・のように短信号 3 個と長信号 3 個と短信号 3 個をそれぞれ区切って SOS と送信すれば、緊急の救助要請することができます。
送信には電流の流れのほかに、光や音など種々の媒体を用いることができますから、直接電線の結ばれていない 2 艘の艦船の間などでも伝えたい内容の通信が可能になります。さらに、19 世紀末には電流量の変化を電磁波の強さの変化に変換する技術と電磁波の強さを電流量に変換する技術が開発されましたので、電線の繋がっていない所でも電磁波により電流の信号を送ることが出来るようになりました。Morse 信号に従って変化する電流量を電磁波に変換して送り、地球の裏側でこの電磁波の強弱を電流量の変化に再変化して情報68

表 6−2 英数字に対応する Morse 信号
符 号

信 号

符 号

信 号

符 号

信 号

A

・−

R

・−・

9

−−−−・

B

−・・・

S

・・・

0

−−−−−

C

−・−・

T

−

+

・−・−・

D

−・・

U

・・−

‑

−・・・・−

E

・

V

・・・−

*

−・・−

F

・・−・

W

・−−

/

−・・−・

G

−−・

X

−・・−

=

−・・・−

H

・・・・

Y

−・−−

（

−・−−・

I

・・

Z

−−・・

）

−・−−・−

J

・−−−

1

・−−−−

・−−−−・

K

−・−

2

・・−−−

・−・・−・

L

・−・・

3

・・・−−

；

・−−−−・

M

−−

4

・・・・−

：

−−−・・・

N

−・

5

・・・・・

，

−−・・−−

O

−−−

6

−・・・・

．

・−・−・−

P

・−−・

7

−−・・・

?

・・−−・・

Q

−−・−

8

−−−・・

訂正

・・・・・・・・を受信する無線電信や電報は世界の情報交換の有力な手段になりました。
表 6−2 に掲げた Morse 信号は長短 2 種類の電流の点滅を 8 個組み合わせて英数字に対応させていますが、その対応し得る数は 28 ですから 256 となります。仮名文字では 48 種類、アルファベットでは 26 種類、DNA では 4 種類の信号を用いていますが、Morse 信号ではわずか長短 2 種類の信号で 256 種類の内容を通信しています。このことは信号の種類が少なくても組み合わせる数を多くすれば、通信しうる内容の数を無限にすることができることを意味しています。このような組み合わせる数をコンピューターの用語ではビットという単位で表していますから、Morse 信号は 8 ビットで 1 個の英数字を表していることになります。
前節で考えたトランジスターを用いますと、電流を容易に瞬時に断続あるいは点滅することができます。また、電流の流れには正負 2 方向がありますから、Morse 信号と同じよ
うに電流の点滅や電流の正負 2 方向の変化を利用して情報を送ることが出来ます。また、電流の流す方向を変えることにより発生する磁気も N と S の 2 方向に変化しますから、磁気の方向の変化を利用しても情報を表すことが出来ます。Morse 信号は 8 ビットの信号で
69

すが、現在では簡易型のコンピューターでも用いられている信号系は 32 ビットで 1 個の情報（１バイト）を表すように設計されていますから、その情報は 232 種類でとなり約 43 億
種類の文字や色や音などを表すことができます。言い換えれば電流の点滅を 32 回すること
により、1 バイトと呼ばれる 1 個の情報が完成できるようになっています。さらに、このような個々の情報をまとめて大量に通信して多くのことを世界中に伝達しています。また、
このような個々の情報をまとめて大量に保存しておけば大量の情報が記録されます。最近の半導体技術の進歩により、1013 バイト以上の情報を保存できる非常に小さな記憶媒体まで開発されています。トランジスターやダイオードや液晶ディプレイの発達により電流の点滅や方向の切り替えが電流や電磁波の極めて微弱な変化で瞬時にできますから、複雑な情報の処理が可能になりコンピューターが発達しました。現在では、パーソナルコンピューターが多くの家庭に入ってきて、インターネットの通信やデジタルカメラの映像処理まで広く用いられるようになっています。

70

7.

電場の中で興奮する分子

高い絶縁性を示す分子の塊
第 5 章で考えたように金属の塊は金属原子が集合してその原子の間を金属結合が結び付けています。そのために、金属の塊の先端に外部から電子を入れ込みますと、価電子帯には電子が充足していますから伝導帯に入ります。伝導帯は電子が充足されずに空になっていますから、入った電子はその帯の中を自由に動き回ることができ、容易に金属の塊の末端にも電子が移動します。この末端で電子を外部に放出すれば、電子が先端で入り金属の塊の中を通って末端から出てゆき、結果として金属の塊の中を電流が流れたことになります。これに対して、第 6 章で考えた半導体と呼ばれるゲルマニウムやけい素などの 14 族元素の塊は、原子が集合してその原子の間を共有結合が結び付けています。共有結合では結合性軌道と反結合性軌道の間に大きな禁制帯がありますから、伝導帯の軌道がエネルギ
ー的に非常に不安定で、高いエネルギーを持った電子でなければ伝導帯に入ることができません。そのため、半導体の塊の先端に外部から電子を入れ込むことが困難で、高い電圧を加えたり、
13 族元素や 15 族元素の原子を不純物として加えなければ電流が流れません。
このように金属や半導体の塊は 1 個の分子のように原子が集合してその原子の間が結合で結ばれていますから、電子の移動の容易さには違いがありますが電流が流れます。1個の分子のようにすべての原子が結合で結ばれている金属や半導体などの物質とは異なり、多くの物質はある数の原子の集合して結合した分子やイオンにより形作られ、その分子やイオンがまた弱い分子間力あるいはイオン結合と呼ばれる引力により集合しています。これらの分子やイオンの中は共有結合で結ばれていますから、多少困難な場合もありますが分子の中を電子が移動できます。
一般に炭素を中心元素とする化合物では、直接結合した原子の間には一定の結合距離を持つ共有結合により結合エネルギーの安定化が起こりますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来する van der Waals 力と呼ばれる相互作用やわずかに存在する電荷によるクーロン力などの相互作用が起こります。この直接結合していない 2 個の原子が遠くはなれている場合にはその間の相互作用はほとんど認められず、近付くにつれて若干の安定化が起こりますが、0.22nm（2.2ｘ10-10m）よりも近接するとお互いに強い反発が起こりエネルギー的に不安定になります。多くの炭素が鎖状に繋がった分子では、炭素−炭素結合に沿って回転させるときに結合している原子や原子団の相互の距離が変わりますが、水素原子と他の原子や原子団では大きさが異なりますから原子間の相互作用も結合に沿った回転の角度に対して複雑に異なってきます。ポリスチレンは CH2CH(C6H5)が連続的に鎖状に繋がっていますから、ポリエチレンの主鎖に多くのベンゼン環が結合した構造をとっています。そのため、ポリエチレンの主鎖とベンゼン環が最も遠くはなれるように主鎖がねじれた状態でエネルギー的に安定になってきます。結果としてポリスチレンの主鎖となる炭素−炭素結合はジグザグになっていますが、多少のねじれが加わった長い構造をとっ71

Hているものと思われます。
H

炭素−炭素単結合の平均的な結合距離が 0.154nm(1.54x10−10m)、炭素上の結合角が約 109.5°と見積もられていますから、ポリスチレンのジグザグになった長い構造の単位となる部分構造の長さを見積もることができまH

H

0.58nm

す。さらに、この単位となる部分構造
C

がどのくらい繋がっているか見積もC

C

ることができれば分子のおおよそのC長さを推定することが出来ると思わ

0.17nmHれます。炭素−炭素単結合の結合距離

H

H

H

と結合角から図 7−1 に示すようなポ0.13nm 0.13nm

リスチレンの単位となる部分構造

0.25nm

CH2-CH(C6H5) は分子量 104.152 を持
図7−1

ち、長さ 0.25nm(2.5 x 10−10m)、太さ

ポリスチレンの部分構造

が約 0.35nm(3.5 x 10―10m)の紐に長さ約 0.6nm(6 x 10―10m)のひらひらした物がぶら下がっているような概観をしているものと思われます。一般に市販されて広く日常生活で利用されているポリスチレンは 150000〜400000 の分子量を持っていますから、分子の長さは 0.5〜2μm（5ｘ10−7〜2x10−6m）と概算することが出来ます。これらの概算値
から、ひらひらの大きさに対して約 1000〜2000 倍の長さを持つと推測され、最早ひらひらの部分は長さに対して無視しうるほど小さく、ポリスチレンの分子は細くて長い分子の形をしているものと考えられます。
日常生活の中では多くの炭素を中心元素とする物質が種々の目的で利用されていますが、その中でポリエチレンやポリスチレンなどのプラスティックは最も長い構造を持つ分子の物質と思われます。ポリスチレンがこのように非常に長い分子と考えられていても、その長さは 0.5〜2μm ですから虫眼鏡を使っても見えないほどに小さな物です。日常生活で利用されているポリスチレンは多くの分子が集合して弱い分子間力により絡み合って形成されています。ポリスチレンばかりでなく日常生活で利用されているほとんどの物質は多くの小さな分子が弱い分子間力でまとめられています。これらの分子の間には金属結合や共有結合のような電子の移動できるような橋渡しがほとんどありませんから、物質の先端に外部から電子を入れ込んでも、その先端の分子の中を電子が移動するのみで、電子が分子を渡り歩いて物質の末端にまで電子が移動して来ることはありません。結果としてこのように分子が集合して形作られている物質の中は電流が流れず高い絶縁性を示します。
表 7−1 には種々の物質の絶縁性を電気抵抗で掲げておきますが、この値が大きいほど高72

い電気絶縁性を示します。
表 7−1 種々の物質の電気絶縁性

物質名

比誘電率（ε） 電気抵抗（Ωcm）

アスベスト

3.0〜3.5

1010〜1013

白雲母

5.0〜9.01014〜1017

石英

3.5〜4.5

1017〜1019

硬質磁器

5.0〜7.01014〜1015

チタン酸バリウム

1150〜3200

1012〜1015

アルマイト(酸化アルミ皮膜)

6.0〜10.01012〜1013

大理石

9.0〜11.0

1010〜1013

硫黄

3.6〜4.4

1016〜1017
109〜1012

セメント
ワニス

3.5〜3.5

1014〜1015

アスファルト3.0〜3.2

1015〜1016

パラフィン

1.9〜2.5

1016〜1019

加硫ゴム

2.5〜4.6

1015〜1017

エボナイト

2.6〜5.01015〜1016

フェノール樹脂

4.5〜6.5

1011〜1013

ポリエステル樹脂

2.8〜5.2

1014〜1015

ポリアミド樹脂（ナイロン）

3.4〜4.1

1011〜1013

ポリスチレン樹脂

2.3〜2.7

1017〜1019

塩化ビニル樹脂

3.3〜6.01011〜1015

ポリエチレン樹脂

2.3〜2.3

1017〜1019

ポリ尿素樹脂6.2〜9.5

1012〜1014

木綿

3.0〜7.0

107〜1012

絹1.3〜2.0

109〜1015

電導性の高い金属だけでは電流がいたるところに流れてしまいますから、必要な経路に電流を流すためには絶縁性の高い物質は欠くことのできない物質です。発電所から家庭や工場まで送電する時に、絶縁性の高い硬質磁器でできた碍子を電線と地上の間に挟んで、地上に漏電することを防いで送電効率を向上させています。電化製品に通電して機能させる時に、電流を導く電線も絶縁性の高い物質で被覆しておかなければ、電流が短絡したり利用者に感電する事故が起こります。50 年ほど以前には、家庭用電化製品の電気コードは73

蝋引きの絹糸やゴムで被覆していましたが、現在の電気コードは絶縁性の非常に高く柔軟性のあるポリエチレンやポリ塩化ビニルなどのプラスティックで被われています。また、ラジオや TV の細かい部品を取り付ける基盤やプラグやソケットなどの電気部品は高い絶縁性とともに、硬く丈夫で多少の高温にも耐えるような性質も求められますから、ポリ尿素やポリカーボネートなどのプラスティックが用いられています。
住宅地の電柱の上に載せられている柱上トランスは高圧電流で発電所から送電された電流を家庭用に電圧を下げるトランスですが、高い湿度や雨水や空気などによる腐食や漏電を防ぐために、絶縁性の高い液体をトランスの中に満たしてあります。共有結合で原子が結ばれた分子の物質が絶縁性に富んでいますから、1970 年代までは PCB がこの柱上トラ
ンスの中を満たす液体として用いられてきました。PCB は 2,2’,3,3’,4,4’‐ヘキサクロロビフ
ェニルを主体とする塩素で置換されたビフェニルの種々の混合物ですが、沸点が高く融点が低いために長時間にわたり如何なる気象条件においても全く濃縮したり揮発したりせず、化学的にも熱的にも極めて安定に存在して液体の状態を保ちますから、戸外に露出した設
置条件にも機能するため柱上トランスの絶縁油として適していました。しかし、熱交換器の故障が原因で PCB の食用油への混入を原因とするかねみ油症事件と呼ばれる中毒事件が1968 年に発生しました。
その後の研究で PCB の中でも図 7−2 に構造式で示す 2,2’,3,3’,4,4’‐ヘキサクロロビフェニールは体重 60kg の人間に対する致死量が 75g、1 日当たりの耐容量が 0.21ｍg と極めて毒性の強い物質であることが明らかにされました。1960 年代には工業的に 60000 トン以上も大量に使用されておClり、しかも PCB が熱的に極めて安定に存在すClる液体の性質を持つこClとが廃棄処理を困難にClしたため、大きな社会問題に発展しました。

Cl

図7−2

Cl

2,2',3,3',4,4'−ヘキサクロロビフェニルの構造

共有結合はイオン結合性を兼ね備えている
第 2 章で考えたように、原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽くて負電荷を持つ電子が広く分布しています。2 つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用してクーロン力が働きますから、電子は両方の原子核に引き付けられるような力を受けます。結果として 2 個の電子がそれぞれクーロン力により 2 つの原子核に引き付けられ両原子が共有結合と呼ばれる結合で結び付けられます。このとき働くクーロン力は式 2−1 に示されるように原子核と電子が持つそれぞれの電荷の積に比例し、原子核と電子の間の距離に反比例します。水素分子のように同じ原子同士が共有結合する場

74

合には、原子核の正電荷も原子半径も同じですから、一方の原子の電子と他方の原子核の間に働くクーロン力と一方の原子核と他方の原子の電子に働くクーロン力は等しくなります。そのため両者の原子核が電子を引き付ける力は等しく、原子間で電子の偏りは起こりません。
しかし、炭素−水素結合や炭素−酸素結合のように 2 つの異なる原子が共有結合する場
合には、それぞれの原子核の正電荷も原子半径も異なりますから、一方の原子に属する電子と他方の原子核の間に働くクーロン力と一方の原子核と他方の原子の電子に働くクーロ
ン力は当然異なってきます。そのため両者の原子核が電子を引き付ける力にも差が生じて、原子間で電子の偏りが生まれます。2 つの異なる原子からなる塩化水素の場合には、結合に関与する 2 個の電子は若干塩素の原子核に引き付けられますから、塩素原子の近くに電子が偏ります。結果として、水素原子は結合することにより電子が若干減少して正電荷を帯び、わずかな陽イオンの性質を示すよ
うになります。また、塩素原子は電子が逆に増加して負電荷を帯びるようになります。これらの分子も気体や液体の状
態では自由に動き回れますから、分子はあらゆる方向に乱雑に向いていて図 7−3（Ａ）の模式図のように物質全体と（Ａ）

し電荷の偏りを互いに打ち消します。
原子間に電子の偏りのない水素分子が正負の電位差のある電場の中に存在しても、分子の中に電荷の偏りがありませんから、水素分子は何の影響も受けません。しかし、原子間に電子の偏りの（Ｂ）

ある塩化水素では、塩素原子が負の電荷を帯びるように分子には電荷の偏りが図7‑3ありますから、正負の電位差のある電場

誘電分極の模式図の中では塩化水素分子は塩素原子が正の電位の方向に、また水素原子が負の電位の方向にクーロン力を受けて引き付けられます。そのため、図 7−3（Ｂ）の模式図のよ
うに自由に動き回ることのできる気体や液体の塩化水素の分子は分子の重心を中心に回転して、電場を打ち消すように分子が整列します。塩化水素のように２つの異なる原子で構成されている二原子分子では同じように電子の偏りを持っていますが、その偏りの大きさはそれぞれ異なります。このような分子を電場の中に置きますと、電荷の偏りを持つ分子と電場の間には双極子モーメントと呼ばれる分子の重心を中心とする回転力が働きます。
この双極子モーメントμは式 7−1 に示すように電荷の偏りの原因となる正負の電荷を持

75

つ原子の間の距離ｒとそのそれぞれの電荷の大きさδに比例します。

µ = δ ⋅r

式 7−1

このように電場の影響を受けて分子の整列した状態から電位差を 0 にして電場の影響を取り去りますと、整列していた分子は乱雑な方向に列を乱してゆき、そのとき電気エネ
ルギーを放出します。電場の中に置いた物質が電場を取り去ることにより放出するこの電気エネルギーとその物質の中に含まれる分子の数から双極子モーメントを実験的に求めることができます。原子間距離ｒは X 線回折などの方法で別途実験的に求めることができま
すから、二原子分子上にある電荷の大きさが求められます。
例えば、塩素陰イオンと水素陽イオンがイオン結合で結ばれて塩化水素ができていると仮定すると、陽イオンでは電子 1 個に相当する正電荷が存在し、陰イオンの上には電子 1個に相当する負電荷が存在します。電子の電荷は 4.80x10−10esu と報告されていますから､
イオン結合の場合の電荷の偏りは 4.80x10−10esu となります。しかし、塩化水素分子の双極子モーメントは 1.03 ｘ 10 − 18esu/cm と実測されていますし、水素と塩素の原子間距離は0.13nm（1.3x10−8cm）と報告されていますから、式 7−1 から原子上にある電荷の大きさは7.19ｘ10−11esu と算出することができます。この電荷の大きさとイオン結合と仮定した時の電荷の偏りの大きさとの比較から、塩化水素の結合は 83.5％の共有結合と 16.5％のイオン
結合の混ざり合ったような性質を持っていると考えられます。言い換えれば、塩化水素分子の結合は塩素原子が 16.5％負の電荷を持ち水素原子が 16.5％正の電荷を持って共有結合
していることを示しています。表 7−2 には代表的な二表 7−2 ハロゲン化水素の双極子モーメントと電子の偏り

原子分子のハロゲ
ン化水素の双極子

18

HF

HCl

HBr

HI

モーメントとそのµ（x 10 esu.cm）

2.0

1.03

0.79

0.38

結合の電荷の偏り

r（nm）

0.092

0.127

0.141

0.161

をまとめておきま

電子の偏り（％）

45

16.5

12

5

す。
この表からも分かるように同じ系列のハロゲン化水素を比較しても、ハロゲン原子が異なると電子の偏りが大きく変化しますから、当然、化学的性質も異なります。しかし、双極子モーメントを多くの物質について測定することは困難ですし、簡単な構造を持つ二原子分子は日常生活で広く利用されている物質の中では極めて限られています。結合の上における電子の偏りは物質の性質や化学反応性に大きく影響を与えますが、その結合の電子の偏りを調べることは容易ではありません。
1

E + EB− B 2
χ A − χ B = ( E A− B − A− A)276

式 7−2
このような状況の下で、A と B の 2 種の原子間の結合エネルギーEA-B を基にして Paulingは種々の物質の共有結合における電子の偏りを求める簡単な計算式を式 7−2 の形で提案しましたが、これは電気陰性度χと呼ばれる実験値で値が大きい原子ほど結合上の電子を引き付けます。結合は 2 種の原子の間の相対的な関係に基づきますが、値の大きな原子ほど陰イオンの性質を、値の小さな原子ほど陽イオンの性質を強く示します。例えば、水素
原子と塩素原子の電気陰性度χH とχCl はそれぞれ 2.1 と 3.0 ですから、塩化水素の結合が塩素原子に電子の偏りを持つことを示しており、先の双極子モーメントから求めた結論と一致しています。このように電気陰性度の値は化学を研究する上で役に立っていますから、
表 7−3 には現在広く用いられている電気陰性度の値を周期表に併せて掲げておきます。

表 7−3 Pauling の電気陰性度

H
2.1
Li

Be

B

C

N

O

F

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Na

Mg

A1

Si

P

S

C1

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.5

3.0

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

0.8

1.0

1.3

1.5

1.6

1.6

1.5

1.8

1.8

1,8

1.9

1.6

1.6

1.8

2.0

2.4

2.8

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

1.9

2.2

2.2

2.2

1.9

1.7

1.7

1.8

1.9

2.1

2.5

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.2

2.2

2.2

2.4

1.9

1.8

1.8

1.9

2.0

2.2

Ir

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.3

分子内の電荷の偏りで加熱する電子レンジ
一般的に、物質は種々の原子が共有結合で結ばれていますから、塩化水素の結合が電子の偏りを持っているように多くの物質を構成している結合には結合軸に沿った方向に多少の電荷の偏りが持っており、結合の双極子モーメントも方向性を持っています。しかし、多くの原子が集合した多原子分子中の原子の位置は 3 次元的な広がりを持っており、それ77

ぞれの結合も 3 次元的な方向を持っていますから、分子全体の双極子モーメントは各結合の双極子モーメントのベクトル和となります。当然、分子が自由に動き回ることのできる
気体や液体の状態では、このような多原子分子が正負の電位差のある電場の中に存在する
ときには、その分子の結合の双極子モーメントをベクトル和した分子双極子モーメントにより分子が整列してゆきます。
分子双極子モーメントを表 7−4 に掲げておきますが、メタンや四塩化炭素のような対称な分子では各結合は電子の偏りを持っていますが、この表からも分かるように電荷の偏りのベクトル和が 0 になりますから双極子モーメントが 0 になっています。また、二酸化
炭素は炭素と酸素の異なる原子が結合しているにもかかわらず、双極子モーメントが 0 を示すことから、二酸化炭素の分子の構造は 3 個の原子が直線状に結合して対称性を保っている構造であることが分かります。

表 7−4 種々の分子の双極子モーメント（x 1018esu.cm）
物質名

化学式

双極子モーメント

物質名

化学式

双極子モーメント

ヘリウム

He

0

アンモニア

NH3

1.49

ネオン

Ne

0

メタン

CH4

0

アルゴン

Ar

0

四塩化炭素

CCl4

0

酸素

O2

0

フッ化メチル

CH3F

1.81

窒素

N2

0

塩化メチル

CH3Cl

1.87

水素

H2

0

臭化メチル

CH3Br

1.80

フッ化水素

HF

1.98

ヨウ化メチル

CH3I

1.64

塩化水素

HCl

1.03

アセトン

CH3COCH3

2.70

臭化水素

HBr

0.78

エタノール

CH3CH2OH

1.69

ヨウ化水素

HI

0.38

フェノール

C6H5OH

1.70

水

H2O

1.85

一酸化炭素

CO

0.10

硫化水素

H2S

0.95

二酸化炭素

CO2

0

電磁波は正の電位から負の電位まで電場の強さが周期的に変化する波の性質を持っていますから、その周波数に相当する速さで電場が交互に変化します。双極子モーメントを持つ分子に紫外線や可視光線やマイクロ波などの電磁波を照射しますと、電磁波により分子の周囲の電場が周期的に変化します。物質を構成している分子は電磁波による電場の変化の影響を受けて、分子内で電荷の偏っている部分に周期的にクーロン力が働きます。分
子の中の電子は 10−15 秒程度、液体や気体の分子は 10−12 秒程度の時間内で活発に運動しています。紫外線や可視光線は波長が短く電場の変化の周期が 10−15〜10−14 秒程度に短いた78

めに、分子運動が電場の変化に追従できませんから分子はあまり動くことが出来ません。
しかし、分子が自由に動き回ることのできる気体や液体の状態のときには、波長の長い電磁波でその電場の変化に追従するように分子が回転して整列しますから、電磁波の周波数にあわせて周期的に分子はその方向を逆転するように整列を繰り返します。1 秒間に 1010
〜1011 回（1010〜1011Hz）の周波数を持つマイクロ波では電場の変化の周期が分子の整列するに要する時間に適しているために、マイクロ波の照射により分子は激しく整列の運動を繰り返します。分子が激しく運動すれば当然分子同士の摩擦や衝突が起こりますから、発熱をして物質の温度が上昇します。
分子双極子モーメントを持つ物質にマイクロ波を照射して加熱する方法は双極子モー
メントの値が大きいほど効率が良くなります。また、分子の密度が小さい気体の状態では摩擦や衝突が小さいためにあまり発熱しませんが、運動する分子の密度が高い液状の場合には分子間の摩擦や衝突が起こり易くなりますから発熱効率も上がります。牛乳や味噌汁やシチュウなどはいずれも水溶液ですし、ご飯や肉や野菜などほとんどの食物には多くの液状の水が含まれています。この液状の水は表 7−1 でも明らかなように大きな分子双極子モーメントを持っていますから、分子の中に大きな電荷の偏りを持っています。食物の中に含まれている水にマイクロ波を照射しますと、食物の中で液状の水の分子が激しく整列の運動を繰り返しますから、食物の内部から温度が上昇し高い発熱効率で温められてゆきます。このように水を加熱する現象は電子レンジに利用されて広く家庭に普及しています。
この電子レンジは非常に効率よく水を加熱することができますが、原理的に双極子モーメ
ントの小さく固体状態のプラスティックや陶磁器を加熱することが出来ませんから、これらの器を用いて食物だけを非常に短時間に温めることが出来ます。

液晶中に整列した分子が映す画像
直接結合した原子の間には一定の結合距離を持つ共有結合やイオン結合や金属結合により結合エネルギーの安定化が起こりますが、直接結合していない原子の間にも電子の交換に由来する van der Waals 力と呼ばれる相互作用やわずかに存在する電荷によるクーロン
力などの相互作用が起こります。この直接結合していない 2 個の原子間の相互作用は分子間力と呼ばれ、式 3−1 に近似されるように遠くはなれた原子間には相互作用はなく、近付
くにつれて若干の安定化が起こりますが、さらに接近するとお互いに強い反発が起こりエ
ネルギー的に不安定になります。他方、物質の温度が高くなって分子の運動が激しくなると分子の運動速度も大きくなりますから、運動エネルギーは低温では小さく温度が高くなるほど大きくなります。
温度が低いために分子の運動エネルギーが分子間力よりはるかに小さいときには、固体の状態になり、分子は整然と規則的に並んでほとんど動くことが出来なくなります。この状態では分子はその配列を崩すほどには動くことが出来ません。温度が少し高くなり分子間力とほとんど同じ程度まで分子の運動エネルギーが大きくなると、分子は多少動き易く

79

なります。物質が融点に達すると分子の運動エネルギーが分子間力よりも大きくなります
から、分子は整然としたその配列を保つことが出来なくなり、液体となって物質の中を自由に動き回るようになります。さらに温度が高くなり分子間力よりも分子の運動エネルギ
ーがはるかに大きくなりますと、分子の相互作用が小さくなりますから、粘性の小さなさ
らさらの液体に変化して行きます。沸点を超えて温度が高くなりますと、もはや分子は物
質の中の分子間力のしがらみから開放されて自由な世界に飛び出して、分子が分子間力の影響をほとんど受けずに自由に運動できる気体の状態になります。
一般に、棒状の物や盤状の物や球状の物は整然と並べて箱に入れることができますが、「く」の字に曲がった物や凹凸のある物やテトラポットのように棘の出た物は整然と並べ難く隙間が沢山できてしまいます。分子も同じように棒状や盤状や球状の分子は規則正し
く並び易いために大きな分子間力を持ちますが、ブーメランのように曲がったり凸凹した
り大きな側鎖を持つ分子は整列し難く分子間距離が大きくなりますから、大きな分子間力を持つことができません。さらに棒状の物は簡単に束ねることが出来ますし、盤状の物は簡単に積み重ねることが出来ます。また、フリスビーや陸上競技で使う円盤は面に対して平行な方向には極めて容易に動きますが、面に対して直交方向には容易に動くことができません。このように棒状や盤状の物には 3 次元的な方向に相互に働く力にも運動にも異方性があります。同じように棒状の分子ではお互いに平行になるように整列しますが、お互いに平行でない場合には、隙間を残さずに詰まることができなくなり、分子間力が弱くなります。盤状の分子もお互いの面が平行になるようにして積み重なりやすい性質があります。このように棒状や盤状の分子では、それらの分子間力も分子運動も 3 次元的に異方性を持っていますから、方向により分子の並び易さが異なってきます。
棒状や盤状の分子で構成されている物質は融点より若干高い温度において、分子間力と運動エネルギーが拮抗し、流体でありながら分子の配列による 3 次元的な異方性を持つことがあります。このように、ある方向が流動的な液体の状態で他方向が分子の整列した固体の状態に同時になっている異方性の状態を液晶と呼んでいます。このような液晶の状態
では、狭い隙間を持つ 2 枚の板の間に分子を挟むとき、異方性を持つこれらの分子は板に平行に並ぶ性質も持っています。液晶ディスプレイでは、10−6ｍ程度の狭い間隔で薄いガ
ラス板の間に液晶物質を挟むことによって、その分子がガラス面に対して寝るように平行に並びます。
前節で考えたように電荷の偏りを持つ分子が電場の中に置かれる時には、電荷の偏りを持つ分子と電場の間に静電的な引力や反発力が働き、電場を打ち消すような方向に全ての分子が配列します。電荷の偏りを持つ液晶分子を挟んだガラス板の垂直面に電場が働きま
すと、電場を打ち消すようにすべての分子がガラス面に垂直に立ちます。電場を切ると、2枚のガラス板のために元の寝た状態に戻ります。したがって、電場が掛かっているところと掛かっていないところを作り分けて、模様や文字状に配置すると、それに対応するように分子の立った部分と寝た部分が生じます。電場が掛かったままの状態にしておけば、分80

子が立つことにより作られた液晶ディスプレイの模様や文字はそのまま維持されます。
電磁波は正の電位から負の電位まで電場の強さが周期的に変化する波の性質を持っていますから、その周波数に相当する速さで電場が交互に変化します。通常、電磁波の電場の変化する振動面はあらゆる方向を向いています。しかし、この通常の電磁波がその振幅に比較して非常に狭い隙間しか持たない縞目状の物質の中を通過するときには、縞目に対して振動面の平行な電磁波はこの物質を通過できますが、縞目に対して直交した振動面を持つ電磁波は縞目に衝突してしまい通過することができません。当然、偏光と呼ばれる一方向の振動面のみを持つ電磁波だけがこのような縞目を持つ物質を通過してきます。電磁の性質を持つ可視光線の場合に、トルマリンはこのような縞目を持つ天然産の物質として働きますが、10月の誕生石としても知られる宝石ですから、安価に偏光を作り出すことができませんでした。ヨウ素等のように長い分子の形をした色素を混ぜ込んだプラスティッ
クの塊を引き伸ばしますと、引っ張る力に影響されて色素分子は極めて細く緻密な縞目状に整列します。このようにして作られた極めて細く緻密な縞目を持つプラスティックは偏光フィルターと呼ばれて、可視光線を通過させますと偏光を安価に作り出す性質を持っています。
電磁波が物質の中を通過するとき、その中の分子または原子は電子で覆われていますので、電磁波が分子内の電子を揺り動かすとともに、電磁波もまた影響を受けて振動面を変化させます。棒状の形をした分子が整列しているときに、図 7−4（A）のように棒状分子に対し平行な方向に振動面が揃った偏光が通過する場合には、分子の配列と振動面の間には異方性がありませんので、偏光の振動面は捩じれずそのまま進行します。しかし、棒状
分子に垂直な方向から偏光が入るときには、分子の配列と振動面に異方性がありますから、分子の縦方向と横方向では状況が大きく異なります。図7−4（B）のように偏光の振動面と棒状分子の方向が一致している場合には、偏光は棒状分子の長い方向に振動面を揃えたま
ま進みます。図7−4（C）のように偏光の振動面と分子の方向が一致しない場合には、偏光が物質中を進むうちに振動面は棒状分子の長い方向に一致するまで捩じ曲げられてゆき、最終的に棒状分子の長い方向に揃って進むようになります。

偏光

偏光

（A)

（B)

図7−4

偏光

（C)

液晶を通過する偏光の挙動

81図 7−5（A）に示す液晶ディスプレイでは、液晶物質を挟んだ 2 枚のガラス板の外側に一枚ずつ偏光フィルターを装着し、それぞれの偏光フィルターは互いにその方向を 90°に捩じっておきます。さらに、ガラス板の内部表面にもそれぞれ配向膜という特殊な膜がその方向を 90°に捩じって装着されていますから、中の液晶物質の棒状分子は配向膜の方向に分子の方向をそろえて寝ています。あらゆる方向の振動面を持つ通常の光が、入射側の偏光板を通過すると、振動面が一方向に整えられた偏光になり、配向膜により整列して寝ている液晶物質の中に入ります。2 枚の配向膜が互いに 90°捩じれていますから、間に挟まっている液晶分子はわずかずつ捩じれていき全体として分子の向きが 90°捩じれるよ
うに寝てきます。この捩じれにしたがって液晶物質を通過する偏光は液晶分子により振動
面を 90°捩じられ、最後の偏光フィルターを通過することができます。しかしながら図 7−5（B）に示すように、ガラス板に垂直に電場を掛けますと、板に平行に寝ていたすべての分子がガラス面に垂直に立ち、垂直方向の異方性がなくなります。この状態では、偏光が入ってきても振動面を捩じることなく、角度が変わらないまま出口側の 90°捩じって装着された偏光フィルターに衝突して通過することができません。ここで、電場を除去すると、瞬時に元の棒状分子が寝た状態が復活し、光が通過できるようになります。液晶ディスプレイでは、このように電場の断続により液晶分子を立たせたり寝かせたりして、光の通り方を制御することができます。
液晶ディスプレイを虫眼鏡で良く見ると、やっと見えるぐらいの小さな部屋が無数に見えます。この一つ一つが光の通過を制御できる部屋は画素と呼ばれていますが、一つ一つ別々にこの画素の電場を変化させて光の通過を制御することによって、模様や

透過光

透過光なし

文字を作っています。画面の裏のバックライトと呼ばれる光源の光を当てると、
偏光
フィルター

電場のかかった画素で光が遮られ、画素でつくられた模様や文字が液晶画面の表面に黒く現れます。また、明るい場所

配向膜

では、液晶画面の前面から入射した光が底の反射膜で反射されて、再び液晶画面

液晶分子

を通過して出てきますので、電場をかけ電場ると光が遮断され反射してきませんか

配向膜

ら、模様や文字が液晶画面の表面に黒く

偏光
フィルター

描かれます。しかも、電場は非常に容易に変化させることができますから、瞬時に模様や文字を変化させることができます。この技術を応用すれば、TV やコ

光源

光源

ンピューターや携帯電話の画面に画像

（A）

（B）

図7−5

82

液晶ディスプレイの模式図

を表示することができます。このとき模様を変化させるための電場の発生に必要な電力は極めて微弱で、画像の変化のないときには電力の消費がありませんから、液晶の背面から透過させる光源の電力だけが画像を映し出すために必要になります。

電気エネルギーを溜め込む分子の分極
物質が電場の中に置かれる時に電場を打ち消すように構成している分子が影響を受けて電子の偏りを起こす現象を分極といい、特に双極子モーメントを持つ分子が移動して整列する時には原子分極と呼ばれて大きな分極効果を示します。双極子モーメントを持つ物
質が気体の状態では密度が低いために原子分極もあまり大きな効果を示しませんが、移動して整列する分子の密度の高い液体の場合には同じ物質でありながら分極効果が上がります。このときこの電場を打ち消す強さを誘電率（ε）といい、分子の全くない真空の状態の誘電率（ε0）に対する割合を比誘電率（εｒ）と呼んで式 7−3 のように定義しています。
ただし、D は誘起電荷、E は電場の強さを表します。水蒸気の比誘電率は窒素や酸素の気体と同じように密度が非常に低いためにほとんど 1 に近い値を示していますが、水を構成している水素原子は若干ながら正電荷を帯び、酸素原子は同じく僅かに負電荷を帯びていますから、液状の水の比誘電率は 25℃において 78.54 と極めて大きな値を持っています。

D =ε ⋅E

εr =

ε

ε

式 7−3
0

同じ物質でも気体と液体ではその状態に応じてその分極効果が大いに異なりますが、分子の移動が困難な固体の状態では、大きな誘電効果を示す原子分極もできません。分子の中に存在する多くの電子も負電荷を持っていますから、電場に分子を置きますと電場を打ち消すように分子の中で電子が多少移動して電子の偏りを生み、分子は電場と反対の電荷を持つ電子分極が誘起されます。さらに、電場を打ち消すように分子の一部分の構造が変形して分子全体として電子に偏りを生み、分子は電場と反対の電荷を持つ配向分極が誘起されます。特に、繊維を構成している高分子化合物では、長く繋がった原子の鎖が変形することも移動することも困難ですから、主鎖に結合した原子や原子団の向きや位置が若干変化する配向分極が起こります。
しかし、分子を構成している原子や原子団の移動により原子の相対位置が変化する分子の変形には 10−10〜10−3 秒程度の時間を要します。分子の変形がこの電場の変化に追い付く
ときに配向分極による誘電率が変化しますから、表 7−5 には 3 つの周波数の電磁波に対する各種の繊維の比誘電率を掲げておきます。なお、東京で放送されている NHK のラジオ
第 1 放送が 6x105Hz、TV の第 1 チャンネルが 9.5x107Hz の周波数の電磁波を用いています。
ポリエチレンは炭素と水素の原子だけでできている高分子化合物で、主鎖に対して電子の偏りを引き起こす原子や原子団を結合していませんから、配向分極も起こりません。ポリ
塩化ビニルは電子の偏りを持つ炭素−塩素結合を持っていますから、主鎖の変形により電83

場を打ち消すように変形することができ、大きな配向分極を示します。
表 7−5 繊維の電気抵抗と周波数による誘電率の変化

繊維

電気抵抗

比誘電率(ε)

(Ωｍ)

60Hz

麻

1011〜1012

10

アセテート

1010〜1012

ナイロン

1000Hz

106Hz
5

5.6

5.3

5.1

11

13

4.5

4.8

3.7

14

15

10 〜10ポリエステル10 〜10

3.45

3.5

3.6

ポリメタクリル酸メチル

1015〜1019

3.1

3.5

3.4

ポリ塩化ビニル

10 〜10

15

6.3

4.6

ポリスチレン

1017〜1019

2.6

2.6

2.6

2.3

2.3

2.3

ポリエチレン

11

17

19

10 〜10原子分極は自由な分子運動の可能な液体や気体の状態でのみ電場を打ち消すように誘起されますが、電子分極と配向分極は分子の移動を伴いませんから、固体状態やガラス状態でも誘起されます。本章のはじめの節で考えたように、分子が集合した物質は電気伝導度が極めて低く全く電流を流しませんから、誘起した電荷はそのまま物質の中に蓄えられています。このように外部の電場のエネルギーにより分極を誘起されていた物質から外部の電場が取り除かれるときに、外部の電場を打ち消すように整然と並べられていた分子
電子はあらゆる方向に乱雑に向いた元の状態に戻ります。そのとき、外部電場を打ち消す
ように誘起されていた内部の電場のエネルギーは電気エネルギーとして放電されます。この現象を利用すれば電気エネルギーを短時間蓄えることができますから、コンデンサーに応用されラジオや TV や各種の電気器具の電子部品として利用されてきました。また、交流の電流と直流の電流で発現する挙動が異なり、電場の変化する周期によっても誘起分極の大きさが変化しますから、種々の電子部品にこの現象は応用されています。大きな誘電率を持つ固体やガラス状態の物質では摩擦により生じた静電気による電場は大きな電子分
極や配向分極を誘起して大量の電気エネルギーを蓄えます。静電気で帯電した物質が火花放電をするときには、コンデンサーと同じように大量の電気エネルギーが瞬時に放出されますから、大きな電撃ショックを与えます。

電場の中で光る気体の原子や分子
第 2 章で考えたように、原子を構成している原子核も電子も電荷を持っていますから、内側の軌道の電子は原子核に強く引き付けられており、外側の軌道の電子は弱い力で結び付けられています。当然、原子は原子核の周囲を内側の軌道から順に電子が充足してエネ

84

ルギー的に安定な基底状態になっていますが、外部から高いエネルギーを受け取りますとさらに外側の軌道に電子が移動する不安定な励起状態になります。最も外側の軌道に分布する最外殻電子は充分に大きなエネルギーを受け取りますと原子から引き離されてしまい、
陽イオンとして正電荷を帯びてきます。原子から最外殻電子を引き離すために要するイオ
ン化ポテンシャルは式 2−3 で表されますから、この値が小さいほど元素は陽イオンへ成り
易すいことを意味します。2 つの電極の間に大きな電位差を与えますと電場ができますが、高温に加熱してイオン化ポテンシャルに相当するエネルギーを陰極に与えますと、陰極の素材の原子から電子が引き離されて飛び出します。この高いエネルギーを持った電子は陽極まで移動して行きますから、結果として 2 つの電極の間を電流が流れます。このように大きな電位差のある電場を電子が移動して電流が流れる現象を放電と呼んでいます。全く分子も原子もない真空の状態では非常に高い電位差を持つ電場でなければ、陰極から陽極への放電は起こりません。
固体の状態では強い分子間力により物質を構成する分子が整然と並んでいますが、液体の状態では分子の間に働く分子間力と分子の持つ運動エネルギーが拮抗するために、分子がある限られた領域の中で自由に移動したり運動したりします。気体の状態になりますと、分子の持つ運動エネルギーが分子間力よりもはるかに優るために、分子間の相互作用のない独立した分子が広い空間を自由に動き回っています。希ガス元素は結合することがありませんから単原子分子として安定に存在し、気体の状態では独立した原子として自由に広い空間を動き回ります。同じように、水銀やナトリウムなどの低い沸点を持つ金属も気体の状態では独立した原子として自由に広い空間を動き回ります。
このように非常に動き易い原子や分子が電場の中にわずかに存在しますと、それらの原子や分子と陰極から飛び出した電子が衝突しますから種々の反応が起こります。飛び出した電子は高いエネルギーを持って衝突しますから、原子や分子の持っている電子を弾き出して陽イオンと電子に電離します。この電離の反応では陽イオンが生じますが同時に衝突した電子の他に新たに電子が弾き出されて生じますから、電場の中に電子が増加することになります。これらの電子も陽イオンも気体状態ですから非常に動き易く、電子は別の原子や分子とさらに衝突して次の電離の反応を引き起こしますし、陽イオンと再結合して元の原子や分子に戻ります。これらの反応で電子は飛び石伝いをするように原子や分子を渡って電極の間を容易に飛び越えるようになります。また、ここで生じた陽イオンは陰極に引き付けられ電子を受け取り元の原子や分子に戻りますし、電子は陽極に引き付けられてゆきます。結果として原子や分子が存在するとこれらの反応により、より多くの電子が電場の中に放出されることになりますからより多くの電流が流れ易くなります。
陰極で高いエネルギーを受け取って飛び出した電子は電離や再結合などの種々の反応を繰り返しながら、陽極まで移動して電流が流れる結果になります。高いエネルギーを持
つ電子が原子に衝突しますから、一時的に分子や原子は大きなエネルギーを受け取ります。
当然、原子に属している電子は基底状態の軌道から励起状態の軌道に移りますが、エネル

85ギー的に不安定ですから直ぐにエネルギーを放出して元の基底状態の軌道に戻ります。共有結合で結ばれた分子おいても原子が相互作用してエネルギー的に安定な軌道に電子が充足する基底状態になっていますが、外部から高いエネルギーを受け取りますと不安定な軌道に電子が移動する励起状態になります。このように物質を構成している原子や分子は充分に高いエネルギーを受け取りますと、安定な基底状態から電子が移動して不安定な励起状態になりますが、この励起状態はエネルギー的に不安定ですからすぐに電磁波のエネル
ギーを放出して元の基底状態に戻ります。
励起状態から基底状態に戻る時に放出するエネルギーは原子や分子によりそれぞれ異なり固有の大きさを持っていますが、概して紫外線から可視光線の波長領域の電磁波として放出します。例えば、ナトリウム原子は励起状態から基底状態へ戻る時には 589〜590nmの波長をもつ橙色の光を強く発しますから、電場の中にナトリウムの気体を存在させますと陰極と陽極の間で橙色に輝きます。この放電によるナトリウムの発光はナトリウムラン
プとして、高速道路のトンネルの中などに用いられています。ちなみに、塩化ナトリウムなどのナトリウムを含む物質はガスバーナーなどで加熱しますと、ナトリウム原子が一時的に励起状態になり、基底状態に戻る時に橙色の光を発しますので、炎色反応としてナトリウムの分析にも用いられています。
室温で液体の水銀は沸点も非常に低く容易に気体になりますから、放電管に封入して用いられてきましたが、電位差の大きな電場では 254、297、302、365、366、405、436、546nmなどの波長の光を発して輝きますが、電位差の小さな電場では 300nm 以上の可視光線が弱くなり 254nm の紫外線だけを発光します。水銀灯は電位差の大きな電場で起こる放電を利用していますが、電圧が高く電流量も大きいために汎用的な照明にはなりません。これに対して、電位差の小さな電場で起こる放電で発する 254nm の光は人間の眼には認識できな
い紫外線ですから、蛍光物質に当てて波長の長い可視光線に変換して蛍光灯として照明器具に用いています。
ネオンは希ガス元素で化学的に極めて安定な気体であり、放電管の中に容易に封入できますから古くからネオンサインとして用いられてきましたが、その発光波長は 540、585、638、640、717、725nm で、とくに 614nm 以上の光が強いために赤色に輝きますから、歓楽街で象徴的に瞬いています。励起状態からは非常に多くの波長の光を放出しますが、代表的な原子が放電や炎色反応などにより最も強く発光する紫外線と可視光線の波長と色調を表 7−6 に掲げておきます。この表からも明らかなように種々の原子により種々の色調の光を発光しますから、歓楽街ではアルゴンなどの多くの原子の放電管が用いられていますが、一般的にはすべてネオンサインと呼ばれています。さらに、蛍光灯と同じようにネオンやアルゴンの放電管の内部を蛍光物質で処理して、さらに種々の色調の光を発するよ
うにしています。
著者がカナダの北部ユーコン川の近くを旅行した折に北の空に見たオーロラは太陽か
ら飛んでくる電子が北極の上空で酸素や窒素の分子や原子と衝突して発光したもので、原86

理的にはネオンサインと同じものと考えられます。このように気体の状態の原子や分子が電場の中で電子と衝突する時に光を発する現象により、効率のよく電気エネルギーを光エネルギーに変換することが出来ますから、蛍光灯や水銀灯やナトリウムランプやキセノンランプなどの種々の照明器具に用いられています。
表 7−6 代表的な元素が強く発する紫外線と可視光線の波長と色調

紫外線スペクトル（nm）

元素

可視光スペクトル（nm）

色調

ヘリウム

He

389

588

黄色

リチウム

Li

323

460､610､671

赤紫色

ネオン

Ne

540､585､638､640､717､725

橙赤色

ナトリウム

Na

330

569､590､820

橙黄色

マグネシウムMg

285､333､334､383､384

517､518

黄緑色

アルミニウムAl

257､258､308､309､394､396

アルゴン

Ar

697､707､750､812

青色

カリウム

K

404､405

766､770

淡紫色

カルシウム

Ca

316

423､443､444､445､446

橙緑色

銅

Cu

237､282､296､325､337

459､511､515､522

緑色

ガリウム

Ga

287､294

403､417青色

ゲルマニウムGe

259､265､271､276､304､327､423

423

青色

砒素

As

229､235､237､246､249､278､286､290

クリプトン

Kr

557､587

紫白色

ルビジウム

Rb

420､422､780､795

赤紫色

ストロンチウム

Sr431､461､483､487､496

紫色

キセノン

Xe

395

408､450､462､467､823､828

紫白色

セシウム

Cs

456､459852､894

青紫色

バリウム

Ba

543､552､554､578

青緑色

水銀

Hg

405､436､546

青白色

254､297､302､365､366

87

淡紫色

8.

電流が関わる酸化・還元反応

塩のお陰で水の中でも電流が流れる
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますが、これらの電子と原子核の間に働くクーロン力は原子核に近いほど大きくなります。そのため、内側の電子は原子核に強く引き付けられており、外側の電子は弱い力で結び付けられています。当然、最も外側に分布する最外殻電子は小さなエネルギーで原子から引き離されてしまい、原子は陽イオンとなって正電荷を帯びてきます。また、原子が外から電子を受け取りますと陽子の数よりも電子の数が多くなりますから負電荷を持つ陰イオンになります。陽イオンになり易い原子と陰イオンになり易い原子が接近するときには、陽イオンになり易い原子はイオン化ポテン
シャルに相当するエネルギーを貰って電子を放出し陽イオンになりますし、陰イオンになり易い原子は電子を受け取って電子親和力に相当するエネルギーを放出しながら陰イオンになります。この電子の遣り取りによって 2 種の原子はそれぞれ陽イオンと陰イオンに変化しますが、それぞれ正電荷と負電荷を持っていますから、互いにクーロン力が働きますます接近します。このように両イオンはイオン結合と呼ばれるクーロン力により互いに結び付けられ、間に生じるクーロンエネルギーに由来する結合エネルギーにより両イオンは安定化します。
イオン結合の結合エネルギーはクーロンエネルギーですから、式 2−2 で表されるように両イオンの電荷の大きさに比例し、両イオン間の距離に反比例しますが、さらに、両イオンを取り巻く周囲の誘電率にも反比例します。誘電率は真空中で最も小さな値を示しますが、石油やベンゼンのような油の性質を持つものも比較的小さな値を示しますから、このような溶媒の中では強いイオン結合を持って陽イオンと陰イオンが強く結合していますが、イオン間の距離が大きく離れますと、両イオンとも安定な状態で存在することができません。しかし、真空中の誘電率と比較して、水の誘電率が 78.54 倍大きいために、水の中ではイオン結合の結合エネルギーは 1.3％ほどまで小さくなり、両イオンのイオン結合を保つことが困難になりますから、陽イオンと陰イオンはバラバラになり水の中に溶けてしまいます。このときイオンは誘電率の高い多くの水分子に囲まれて電荷が少しずつ分散されますから、両イオ
ンは水の中ではバラバラな状態で安定に存在できます。
このようにイオン結合で結ばれた物質を水に溶かしますと、陽イオンと陰イオンに解離
して水の中をバラバラに拡散してゆきます。このとき、水は液体の状態ですから、溶媒の水分子も溶け込んでいる両イオンも水の中を自由に動き回ります。解離した陽イオンと陰イオ
ンが溶け込んでいる水溶液に電極を装着して電場を与えれば、陽イオンと陰イオンは陰極と陽極に向かってそれぞれ移動して行き、陽イオンは陰極で電子を受け取りますが同時に陰イオンは電子を陽極に与えて両イオンとも電荷を失います。水の中では電子の移動は全くありませんが、電荷を持ったイオンが移動しますから両電極の間に電流が流れる結果になります。

88イオン結合で結ばれた物質を水に溶かしますと、イオンが水の中を移動して電荷を運びます
から、その水溶液が電流を通す電導性を示しますので、イオン結合で結ばれた物質を電解質と呼んでいます。
電解質は水に溶けて陽イオンと陰イオンに解離しますが、これらのイオンは電荷を持って電場の中を移動しますから両電極の間に電流が流れる結果になります。このとき電流の流れ易さを示す電導度は当然水の中に存在するイオンの濃度に影響されます。電解質は水の中でもイオンの間にクーロンエネルギーが働き弱いながらもイオン結合を保って安定化します。また、高い誘電率を持つ水の中では、周囲を囲む多くの水分子により電荷が分散してイオンは安定化しますし、水の中に拡散することによりイオンはエントロピー的に安定化します。これらの電荷の分散による安定化と拡散による安定化はイオン結合による安定化と釣り合っていますから、陽イオンと陰イオンへの解離のし易さを示す解離度は電解質により大きく異なります。電解質の解離度が小さいときには水溶液中のイオン濃度が低くなりますし、
同じ電解質でも高い濃度では多くのイオンが水溶液中に存在しますから、水溶液の電導性は電解質の解離度と濃度に大きく依存します。
塩化ナトリウム(NaCl)や塩化カルシウム(CaCl2)などの電解質は水に溶けて解離したイオンが電荷を運びますが、ナトリウムイオンは１価、カルシウムイオンは２価の電荷を持っていますから、イオンの持つ電価の違いにより運ばれる電荷の量が異なり電流の流れ易さも異なります。また、電子の半径は約 10−15ｍであり原子やイオンの半径は約 10−10ｍと見積もられていますから、電子より 100000 倍も嵩高いイオンが水の中を移動する速さはその溶液の温度や粘性などの影響を受け易く、当然電導性にも影響を与えます。水溶液の電導性はこのように種々の要素が関係していますから、目的に応じて電気抵抗率と当量電導
度と分子電導度が定義されています。当量電導度は１当量の電解質を溶かし込んだ水溶液
が示す電導性ですし、分子電導度は１モルの電解質を溶かし込んだ水溶液が示す電導性です。１L の水溶液に溶かした C モルの電解質の解離したイオンの価数を V とするときに、電気抵抗率(ρ)と当量電導度(Λ)と分子電導度(μ)の間の関係は式 8−1 でまとめて表すことができます。

1ρ ⋅ C ⋅V
1
µ=
ρ ⋅C

Λ=

式 8−1

表 8−1 には 18℃における代表的な塩基や酸や塩などの電解質水溶液の電気抵抗率(ρ)と当量電動度（Λ）をまとめておきますが、中でも水酸化ナトリウムと硫酸と酢酸と塩化ナトリウムについては異なる濃度における電導度もあわせて掲げておきます。溶媒となる
純粋の水の電気抵抗率が 106Ωcm と報告されていますからほとんど電導性を示しませんが、5％の塩化ナトリウムを溶かしますとイオン濃度が高くなり、電気抵抗率が 14.9Ωcm まで89

表 8−1 種々の電解質水溶液の電気抵抗率と当量電導度

電解質

分子式

水酸化ナトリウム NaOH

電気抵抗率(ρ)

当量電導度(Λ)Ωcm

Ω−1cm−1

5

5.1

149.3

10

3.2

112.4

20

3.1

53.4

％濃度

水酸化カリウム

KOH

25

1.9

96.8

アンモニア水

NH4OH

4

913.2

0.5

塩酸

HCl

5

2.5

281.0

硫酸

H2SO4

5

4.8

198.0

10

2.6

179.9

20

1.5

140.2

硝酸

HNO3

6

3.2

307.1

塩化ナトリウム

NaCl

5

14.9

76.0

10

8.3

66.2

20

5.1

49.9

硫酸ナトリウム

Na2SO4

5

24.4

55.6

炭酸ナトリウム

Na2CO3

5

22.2

45.5

フッ化カリウム

KF

5

15.3

72.9

塩化カリウム

KCl

5

14.5

99.9

臭化カリウム

KBr

5

21.5

106.9

ヨウ化カリウム

KI

5

29.6

108.3

塩化アンモニウム NH4Cl

5

10.9

96.8

塩化マグネシウム MgCl2

5

14.6

62.4

塩化カルシウム

CaCl2

5

15.6

68.6

酢酸

CH3CO2H

5

816.3

1.5

10

655.3

0.9

20

623.1

0.5

5

29.5

47.3

酢酸ナトリウム

CH3CO2Na

減少して約 70000 倍も電流が流れ易くなります。ちなみに、金属は高い電導性を示していますがその電気抵抗率は表 5−1 に掲げたように 10−6〜10−4Ωcm の範囲にあり、ほとんど電導性のない絶縁物の電気抵抗率は表 7−1 に掲げたように 1010〜1019Ωcm と報告されています。さらに、高い塩化ナトリウム濃度の溶液では電流はますます流れ易くなります。こ90

の表では電解質の濃度は重量％濃度で表していますから、同じ濃度の 4 種のハロゲン化カ
リウムを比較して明らかなように分子量の大きな電解質では溶液中に含まれるモル数が小さくなり、電気抵抗率は大きくなり電導性が低くなりますが当量電導度は大きくなります。
また、酢酸のように解離度の小さな酸ではイオン濃度が小さくなりますから電導度は小さくなります。
このようにほとんど電流の流れない水に塩化ナトリウムなどの電解質を溶かし込みま
すと、水溶液の中では電荷を持つイオンに解離しますから、イオンの移動により電流が流れるようになります。これに対して、塩化ナトリウムとよく似ていても砂糖は水の中に溶かしてもほとんど解離しませんから、その水溶液はイオン濃度が小さくほとんど電導性を示しません。多くの酸や塩基や塩は水に溶けるとイオンに容易に解離しますから、電導性を向上させる電解質として働きます。

酸化・還元反応は電子の遣り取り
第 2 章で考えたように、中性子と陽子からなる原子核は正電荷を持っていますから、原子核の半径の 10000〜100000 倍の半径の広い空間に原子核の正電荷を打ち消すように負電荷を持つ軽い電子が陽子と同じ数だけ広く分布して静電的なクーロン力で結び付けられています。原子核の周囲を電子が取り巻いている構造の原子から負電荷を持つ電子が放出されれば、原子は正電荷が過剰になりますから陽イオンになります。さらに、陽イオンが電子を放出して 2 価の陽イオンや 3 価の陽イオンになることもありますし、陰イオンが電子を放出
して原子に戻ることもあります。反対に、外部からの電子を原子が受け取れば、原子全体として負電荷が過剰になりますから陰イオンになりますが、陰イオンがさらに電子を受け取って多価の陰イオンになることもあり、陽イオンが電子を受け取って原子に戻ることも有ります。このように、原子やイオンから電子を放出する反応を酸化反応、原子やイオンが電子を受け取る反応を還元反応と定義しています。
電子を供給する酸化反応がなければ電子を受け取る還元反応は起こり得ませんし、電子を受け取る還元反応がなければ電子を放出する酸化反応も起こり得ません。言い換えれば、酸化反応も還元反応も片方の反応だけでは進行せず、酸化反応が進行する時には還元反応が必ず 1 つの系の中で同時に進行します。
銅板の上に傷をつけながら絵や模様を描き、その上に塩化第 2 鉄の水溶液を載せますと、傷の部分で金属銅と塩化第 2 鉄が反応して、金属銅が溶けて傷が大きな穴に成長します。
この反応はほとんど危険性のない安全な薬品が用いられますから、エッチング法として銅版画の作成などに古くから用いられてきましたが、近年になり電子部品の基盤を作る技術に応用されるようになっています。金属銅を薄く貼り付けたプラスティック板の上に油性のインクで配線図や模様を書き、塩化第 2 鉄水溶液に板を浸しますと、インクの塗られた部分は水を撥じいて金属銅と塩化第 2 鉄水溶液が接触できませんが、インクの無い部分ではこの反応が進行して金属銅は塩化銅に変化して水に溶解してしまいます。よく水で薬品

91

を洗浄後にインクを洗い落とせば、油性インクの模様のとおりに金属銅がプラスティック
板上に残りますから配線が完了します。
この反応では原料の塩化第 2 鉄も生成物の塩化第 1 鉄と塩化銅もイオン結合で結ばれた物質ですから、水に溶けた状態では銅イオンと鉄イオンと塩素イオンに解離しています。
塩素イオンは常に水の中に陰イオンとして存在して変化しませんから、この反応において全く関与していません。鉄イオンと銅に関係する変化は式 8−2 に要約したように鉄イオンが還元され、金属銅が酸化されて銅イオンになる 2 つの素反応が組み合わさった酸化・還元反応です。但し、この反応式で元素記号のように電子を e と表しています。

2FeCl32Fe3+Cu

2FeCl2

Cu

2e-

2e-

2Fe2+

CuCl2
Cu2+

式 8−2

また、硫酸銅水溶液に金属亜鉛を浸すときには次第に亜鉛が溶液中に溶解し、代わって青色の銅イオンの色が消えて赤褐色の銅の金属が析出してきます。原料の硫酸銅も生成物の硫酸亜鉛もイオン結合で結ばれた物質ですから、水に溶けた状態では銅と亜鉛の陽イオ
ンと硫酸陰イオンに解離しています。硫酸イオンは常に水の中に陰イオンとして存在して変化しませんからこの反応には全く関与していません。銅に関する反応と亜鉛に関する素反応に分けて考えますと、式 8−3 に示すようになり亜鉛は電子を放出して陽イオンに酸化され、その電子を銅イオンが受け取って金属銅に還元される 2 つの素反応が組み合わさった酸化・還元反応であることが分かります。

CuSO4
Cu2+

Zn

Cu

ZnSO4

Zn

2e-

Zn2+

2e-

Cu

式 8−3

原子は原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽い電子が広く分布していますが、これらの電子と原子核の間に働くクーロン力は原子核に近いほど大きくなります。そのため、内側の電子は原子核に強く引き付けられており、外側の電子は弱い力で結び付けられています。電子と原子核の間にクーロン力が働いていますから、相当するクーロンエネルギーを受け取れば原子核から電子は開放されて飛び出すことができ、原子は陽イオンになります。水素以外の原子は電子を 2 個以上持っていますから、電子を 1個放出して生じる陽イオンからも電子をさらに放出することができます。このように多くの元素には多段階の酸化の状態があり、表 8−2 には比較的小さな元素のイオン化ポテン
シャルを掲げておきます。表から分かるように、元素によって当然その値が違いますが、原子から 1 価陽イオンへの変化か 1 価陽イオンから 2 価陽イオンへの変化かなど放出され92

る電子の数によってもイオン化ポテンシャルの大きさも大いに異なります。原子から 1 価
陽イオンへの変化と 1 価陽イオンから 2 価陽イオンへの変化は同じ酸化反応でも、酸化反応の起こり易さは異なってきます。還元反応は酸化反応と反対に電子を受け取る反応ですから、還元反応の起こり易さも異なってきます。鉄、ニッケル、コバルト、錫、銅などの遷移金属と呼ばれる金属では異なる価数をもつ複数のイオンが安定に存在しますが、イオンの価数が変化するときには、放出される電子の数が異なりますから、電子の出入りが金属元素に起こり酸化あるいは還元反応になります。
表 8−2 種々の元素のイオン化ポテンシャル(kcal/mol)
M→M+

元素(Ｍ)

M+→M2+

M2+→M3+ M3+→M4+ M4+→M5+ M5+→M6+

M6+→M7+

水素

H

313.4

ヘリウム

He

566.7

1254.2

リチウム

Li

124.3

1743.42822.4

ベリリウム

Be

214.9

419.7

3547.15018.1

ホウ素

B

191.3

579.8

874.3

5978.27841.7

炭素

C

259.5

562.0

1103.81486.59037.111293.7

窒素

N

335.0

682.3

1093.61785.72256.2

12724.5

15374.5

酸素

O

313.9

809.4

1266.2

1784.32556.13183.517040.6

フッ素

F

401.6

806.0

1445.32008.52633.13622.54268.3

ネオン

Ne

497.0

944.1

1462.52238.32909.03640.24777.4

先に挙げた両反応とも赤字で示したように金属銅と銅イオンの間の変化を含んでいますが、式 8−2 は電子を放出して金属銅がイオンに変化する酸化反応ですし、式 8−3 は還元反応で電子を受け取って金属銅に変化する反応です。このように、同じ変化でも相手となる物質の反応性の違いにより酸化反応にも還元反応にもなりますから、酸化・還元反応を利用するためには物質の持つ反応性の大きさを示す尺度が必要になります。また、多段
階の酸化状態を持つ 2 種類の物質が反応するときには、酸化される物質がどちらなのかき
わめて複雑で判り難くなります。そのため、反応を実際にしなくても酸化反応の状態がわかるように酸化還元電位により酸化する強さを表すようにしています。酸化反応は還元状態の物質の酸化還元電位よりも大きな酸化還元電位を持つ酸化状態の物質で進行しますか
ら、この値が大きな酸化状態の物質ほど酸化する反応性が高いことを意味しています。逆に、この値が小さな還元状態の物質は如何なる物質をも還元する反応性を持っています。
このように酸化・還元反応の進行を左右する指標となる酸化還元電位が相対的な値のために、水から水素への酸化還元電位を基準として多くの物質の酸化還元電位が一般的に表されています。多くの元素やイオンが還元する反応の酸化還元電位を参考のために表 8−933 にその値の小さな順から掲げました。この表から分かるように銅、銀、金などの限られた金属を除いて、ほとんど全ての金属イオンは負の酸化還元電位を示しています。このことは基準となる水と反応して金属が酸化され、水は還元されて水素を発生します。特に、

表 8−3 種々の物質の酸化還元電位(V)

酸化状態

還元状態

酸化還元電位酸化状態

還元状態

酸化還元電位

Li+

Li 金属

−3.05

Sn2+

Sn 金属

−0.14

−2.92

3+

Fe 金属

−0.04

+

+

K

K 金属

Fe

2+

Ca 金属

−2.76

H

H2

0.00

Na+

Na 金属

−2.71

NO3−

NO2−

0.01

2+

Cu 金属

0.34

S

0.45

2+

0.77

Ca

2+

Mg

Mg 金属

−2.38

Cu

Al3+

Al 金属

−1.71

H2SO3

SO42−

SO32−

−0.92

3+

Fe

2+

Hg 金属

0.80

Ag 金属

0.80

NO

NO

0.96

−

Fe

SiO2

Si 金属

−0.84

Hg

Zn2+

Zn 金属

−0.76

Ag+

−0.76

3−

Cd

2+

2+

Cd 金属

Cr

Cr 金属

−0.56

Br2

Br

1.07

S

S2−

−0.51

MnO2

Mn2＋

1.21

2+

3+

Cr

Cr

−0.41

O2

H2O

1.23

Fe2+

Fe 金属

−0.41

Cr2O72−

Cr3+

1.33

2+

Pb 金属

−0.36

Cl2

Cl−

1.36

+

Au 金属

1.68

Pb2+

1.69

Pb

2+

Co 金属

−0.28

Au

Ni2+

Ni 金属

−0.23

PbO2

Co

酸化還元電位の著しく小さなナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属、カルシウムやマ
グネシウムなどのアルカリ土類金属は極めて激しく水と反応します。現代生活で大量に用いられている金属のアルミニウムや鉄も速やかに水によって酸化されて錆びてゆきます。
また、表からも分かるように酸素分子の酸化還元電位は大きな値を示していますから、多くの物質を酸化する能力を持つ強力な酸化剤です。銅の陽イオンから金属銅への酸化還元
電位は 0.34V ですから、塩化第 2 鉄イオンから塩化第 1 鉄イオンへの反応の酸化還元電位
0.77V より小さく、亜鉛の陽イオンから金属亜鉛への反応の酸化還元電位−0.76V より大きな値を示しています。この酸化還元電位の相対的な関係からも銅の陽イオンと金属銅との間の変化が、式 8−2 の反応は酸化反応であり式 8−3 の反応は還元反応であることが示唆
されます。

94

電子の遣り取りを利用した電池
原子やイオンから電子を放出する反応を酸化反応といい電子を放出する物質を還元剤と定義しています。また、原子やイオンが電子を受け取る反応を還元反応といい電子を受け取る物質を酸化剤と定義しています。電子を供給する酸化反応が起こらなければ電子を受け取る還元反応は起こり得ませんし、電子を受け取る還元反応が起こらなければ電子を放出しても電子の行き場がなくなりますから酸化反応も起こり得ません。このように酸化反応と還元反応は電子の遣り取りにより進行しますから、酸化剤と還元剤の接触を絶てば電子の遣り取りが阻害されてしまい両反応は進行しません。しかし、酸化剤と還元剤の間を電線で接続すれば還元剤から酸化剤へ電子が移動できるようになりますから酸化・還元反応が進行しま
すが、同時に電線の中を電子が移動し電流が流れます。この酸化剤と還元剤を電線で結ぶことにより進行する酸化・還元反応の化学エネルギーが電子の移動による電気エネルギーへ変換する系を電池と呼んでいます。
たとえば、鉛蓄電池は式 8−4 に示すように希硫酸中で二酸化鉛と金属鉛から硫酸鉛が生ずる反応で、表 8−3 に掲げたように二酸化鉛から 2 価鉛イオン（Pb2+）への変化と 2 価
鉛イオンから金属鉛への変化の酸化還元電位がそれぞれ 1.69V、−0.36V ですから、その酸化と還元の素反応は二酸化鉛と金属鉛か電子の流れ

ら 2 価鉛イオンへの変化と考えることが出来ます。ここで酸化剤の二酸化鉛も還元剤の金属鉛も固体ですから容易に接触しませんが、両者を図 8−1 の模式図のよ

PbO2

Pb

うに電線で接続しますとそれぞれ酸化剤と還元剤として働く酸化・還元反応が進行します。鉛蓄電池ではこの酸化剤と還PbSO4+H2SO4

元剤の酸化還元電位の差に相当する約 2V
図8−1の起電力を持って電流が電線を流れます。

2H2SO4
4H+

PbO2
PbO2

Pb

2PbSO4

Pb

Pb2+

2e-

Pb2+

鉛蓄電池

2H2O
2e2H2O

式 8−4

また、酸化・還元反応の例として式 8−3 に挙げた硫酸銅水溶液と金属亜鉛の反応も電線で接続すれば電池になると考えることができます。還元剤は金属亜鉛ですからそのまま電線を接続することができますが、酸化剤は硫酸銅水溶液で電極を装着しなければ電線を接続することができません。金属亜鉛を硫酸銅水溶液の中に浸しますと酸化・還元反応が進行しますが、金属亜鉛の酸化により放出される電子は電線と電極を通る遠回りの経路で95

電子の流れはなく、硫酸銅水溶液へ直接移動してしまい電池として働きません。Daniell は図 8−2 に示すように酸化反応の反応容器と還Cu

元反応の反応容器を分離し、そZn

れぞれの反応容器に装着した電極に電線を接続して、この酸化・還元反応を利用した電池を

CuSO4

塩橋

考案しました。この酸化・還元

図8−2

反応の進行とともに、硫酸銅がZnSO4+H2SO4

ダニエル電池

金属銅に変化する反応容器では硫酸イオンが過剰になり、金属亜鉛が酸化される反応容器では硫酸イオンが不足しますから、ダニエル電池では塩橋で 2 つの反応容器の間を橋渡ししています。塩橋は水の移動を阻害するようにゼラチンなどで固め、この中に硫酸ナトリウムなどの硫酸イオンの水溶液を含ませて置きますから、別々の反応容器に分離した 2 種類の反応溶液は混ざり合いませんが硫酸イオンだけは反応容器の間を移動して行きます。近年では塩橋の代替えとして素焼き板や肌理の細かいフィルターがイオンだけを通す隔壁として 2 種の溶液を仕切るように改良されています。
表 8−4 実用電池の例

電池名

酸化剤(正極)還元剤(負極)

電解質

電圧(V)

マンガン乾電池

MnO2

Zn

NH4Cl

1.5

アルカリ乾電池

MnO2

Zn

NaOH

1.5

銀電池

Ag2O

Zn

NaOH

1.55

ダニエル電池

CuSO4

Zn

H2SO4

1.1

リチウム乾電池

MnO2

Li

LiClO4

3.0

鉛蓄電池

PbO2

Pb

H2SO4

2.0

ニッカド電池Ni(OH)2

Cd(OH)2KOH

1.35

ニッケル水素電池

Ni(OH)2

H2(Ni)

KOH

1.2

リチウム蓄電池

MnO2

Li(C)

LiClO43.5鉛蓄電池やダニエル電池の例でも分かるように酸化剤と還元剤を電線で接続すれば電流が電線に流れる電池となりますから、表 8−3 に掲げたもののほかに種々の酸化剤や還元剤を組み合わせることにより種々の電池を設計作成することができます。表 8−4 には実用化されている電池の酸化剤と還元剤を掲げておきます。古くから広く用いられてきた乾96

電池はマンガン乾電池ですが、電解質を変えたアルカリ乾電池は起電力の安定性が向上しています。ニッケル水素電池の還元剤は水素分子ですから、通常の環境では電池に利用し難い気体の状態で存在しています。水素ガスが微粉末のニッケルに多量に吸着する性質を利用して作られたニッケル水素電池は環境問題や大気汚染の観点などから注目されています。また、小さな酸化還元電位を示す金属リチウムは還元剤として電池に利用しますと大きな起電力を示しますが、空気や水など身近にある物質と接触しても容易に酸化されてしまいます。炭素同素体の黒鉛は第 5 章で考えたように平面構造のベンゼンが無限に繋がった物質ですから、高い電導性を示すとともに、平面と平面の間には比較的容易に他の物質を取り込む性質を持っています。このような性質を持つ黒鉛に金属リチウムを取り込めば周囲に多く存在する水や空気と接触することなく還元剤として利用することができます。
近年高性能な電池として改良されつつあるリチウム蓄電池はこの黒鉛に取り込んだ金属リ
チウムを還元剤として用いています。

電気分解は発電所の力で進行する化学反応
原子やイオンから電子を放出する反応を酸化反応といい、原子やイオンが電子を受け取る反応を還元反応と定義しています。酸化反応と還元反応は電子の遣り取りにより進行しますから、酸化剤と還元剤の間を電線で接続すれば酸化・還元反応が進行し、同時に電線の中を還元剤から酸化剤へ電子が移動し電流が流れます。この酸化剤と還元剤を電線で結ぶことにより進行する酸化・還元反応の化学エネルギーが電子の移動による電気エネルギーへ変換する系を電池と呼んでいます。通常、酸化・還元反応では電子を供給する酸化反応が起こらなければ電子を受け取る還元反応は起こり得ませんし、電子を受け取る還元反応が起こらなければ電子を放出しても電子の行き場がなくなりますから酸化反応も起こり得ません。
発電所で発電される電流も電池から流れ出る電流も電線を移動する電子ですから、発電所の力を借りて酸化還元電位よりも高い電圧でこの電子を強制的に原子やイオンに送り込
めば還元反応が進行しますし、原子やイオンから電子を引き出せば酸化反応が進行します。
このように電流を流すことにより強制的に進行させる酸化・還元反応を電気分解といい、電気エネルギーを用いて化学反応を起こすことができます。純粋の水はあまり電導性がよくありませんが少量の硫酸を電解質として加えた希硫酸は電流をよく通すようになります。
この希硫酸は水素陽イオンと硫酸イオンに解離していますが、ここに電極を装着して発電所で発電した電流を通電しますと、式 8−5 に示すように水素陽イオンに電子が強制的に送り込まれて還元反応が進行し、陰極で水素ガスが発生します。同時に水から電子が引き出されて水素陽イオンとともに陽極では酸素ガスが発生します。このとき陽極で生成する
水素陽イオンは陰極で消費されますから、希硫酸に電流を流すことにより陽極で酸素 1 モルと陰極で水素 2 モルが発生する水の電気分解が進行し、硫酸は触媒として働き全く反応の収支には関与しないことが分かります。

97

入手の容易な工業原料の塩化ナトリウムの飽和水溶液を電気分解すると、陰極と陽極に
それぞれ
電流

H2SO4

2H2O

2H2

4H+

4e-

2H2

2H2O

4H+

O2

H2SO4

O2

4e-

式 8−5

金属ナトリウムと塩素ガスが遊離してきます。しかし、金属ナトリウムは溶媒の水と反応して水酸化ナトリウムと水素ガスに変化しますし、塩素ガスは水に多量に溶け込んでしまいます。金属ナトリウムから生成する水酸化ナトリウム水溶液と塩素ガスが溶けた塩素水が混合しますと次亜塩素酸ナトリウムに変化してしまいます。そのため、式 8−6 に示す
ように食塩水の単純な電気分解では工業的に重要な水酸化ナトリウムも塩素ガスも効率的に製造することが出来ません。

H2O
2H2O

NaCl
2NaCl
2NaCl

電流
電流
電流

NaClO

H2

2NaOH

H2

2Na

式 8−6

Cl2

式 8−7

Cl2

2H2O

2Na

2NaOH

H2

H2O

Cl2

HClO

ClH2

NaOH

HClO

NaClO

H2O

NaOH

HCl

NaCl

H2O

陽極と陰極の生成物の混合を避けるために、陽極に水銀を使い、電極の水銀と生成する
金属ナトリウムを液状のナトリウムアマルガム(ナトリウムと水銀の合金)として反応槽から取り出し、別室に移動させてからナトリウムアマルガムに水を反応させることにより、
式 8−7 に示すように水酸化ナトリウムを生成する製造法が開発されました。このアマルガム法は単体塩素と水酸化ナトリウムの混合することが全くありませんから、水酸化ナト
リウムと塩素ガスが純粋に効率よく製造できるため、1960 年代には日本の水酸化ナトリウ
ム製造を担う方法になりました。その頃に水銀の触媒の漏洩による水俣病公害が社会問題になり、水銀の排出規準が極めて厳しくなってきました。アマルガム法による水酸化ナト
リウムの合成は理想的には全く水銀の排出がないと思われますが、多少の副反応が起こりますから実際には水銀化合物の漏洩は免れません。水銀の漏洩を皆無にするためには高性能な水銀の回収設備を必要とし、経済的に大きな負担になってきましたから、アマルガム
法は立ち行かなくなり新しい技術が要求されました。現在ではナトリウムイオンと水だけ

98

が通り抜け出来るような隔膜で、食塩水の入った陽極槽と水酸化ナトリウムを生成する陰極槽を隔離する隔膜法で塩化ナトリウムの電気分解が行われています。これにより陽極槽に食塩水を供給して通電すると単体塩素が遊離してきます。隔膜を通り抜けてきたナトリ
ウムイオンは陰極で水素ガスを発生しながら水酸化ナトリウムを生成します。この製造法
は電解槽を隔膜で仕切って生成してくる単体塩素と水酸化ナトリウムを混合することなく取り出す方法で、経済的にも効率の良いものです。
硫酸酸性の下で硫酸鉛の水溶液に 2 つの電極を装着してその電極間に 2V 以上の電圧の電流を流しますと、式 8−4 の反応が逆方向に進行して、陽極では鉛陽イオンから二酸化鉛への酸化反応が進行し、陰極では鉛陽イオンが金属鉛に還元されます。この電気分解で生成した二酸化鉛と金属鉛が鉛蓄電池で消費されて鉛陽イオンを生成する時に電気エネルギーを発生しますから、この可逆反応が発電所で発電された電気エネルギーを蓄積して、別途の利用を可能にする蓄電池として働きます。蓄電池は電気エネルギーを化学エネルギー
として蓄積して、随時電気エネルギーとして変換し利用できる可逆反応と考えることができます。鉛蓄電池のほかに表 8−4 に掲げたニッカド電池やリチウム蓄電池も可逆的に酸化・還元反応が進行する電気エネルギーの蓄積と再生が可能な蓄電池として利用されています。
発電所の力を借りて電子を強制的に原子やイオンから電子を引き出せば酸化反応が進行しますし、原子やイオンに送り込めば還元反応が進行します。希硫酸の中に金属銅の電極を 2 本装着して電流を流し強制的に電気分解をしますと、陰極では金属銅から電子が引き出されて銅イオンを生成する酸化反応が進行しますが、硫酸中に溶け出した銅イオンは陽極で電子を受け取って還元され金属銅が再生します。この電気分解では陰極の素材に含まれる不純物は残して金属銅だけを純粋な形で陽極に移動させることができますから、金属銅の精錬に用いることができます。同様にアルミニウムや珪素や鉄など種々の金属の精錬も電気分解で行われていますが多量の電力を必要としますから、純粋の金属の価格が石油の価格に連動してしまいます。
発電所の力を借りた強制的

電子の流れ

な酸化・還元反応による電気分
解は、陰極の素材となる金属を陽極に移動させ析出させますか
ら、陰極の金属を陽極の金属で薄く覆うメッキと呼ばれる技術

Agメッキ

Ag

にも利用されています。このとき、陰極の金属が酸化されて生じる陽イオンが反応溶液に溶け

Na[Ag(CN)2]

込まなければなりませんが、金属陽イオンの濃度が高い場合に

図8−3 銀メッキの模式図

99

は移動する金属が多くなり過ぎてメッキの表面が粗くなる傾向がありますから、対応する陰イオンも限定されます。例えば、図 8−3 に示すように陰極に金属銀を用いて陽極に装着した食器や装飾品を銀メッキしていますが、陰極の金属銀が銀イオンになりますと、溶液中で錯イオン（Na[Ag(CN)2]）を形成して安定化しますから、電解質はシアン化ナトリウ
ム(青酸ナトリウム)が用いられています。
発電所の力を借りて原子やイオンから電子を引き出せば酸化反応が進行しますし、原子やイオンに送り込めば還元反応が進行しますから、電気エネルギーを用いて強制的に電気分解と呼ばれる化学反応を起こすことができます。この電気分解は環境にやさしい水素や工業的に極めて重要な水酸化ナトリウムや塩素ガスなどの化学工業製品を製造するばかり
でなく、金属の精錬やメッキなどの多くの化学工業に利用されています。このように化学反応で電流を発生させる電池も発電所の力を借りて進行する電気分解も電子の遣り取りによる酸化・還元反応ですから、電気エネルギーと化学エネルギーが密接に関与した電化の関係と思われます。

100

9.

切っても切れない電化の関係
雷はいかつい霊を意味するいかずちと呼ばれ、人の命を奪い、大木をなぎ倒し、火災を引き起こすなどの被害をもたらす自然現象として古くから恐れられていました。18 世紀になると、ドイツ人の Kleist やオランダ人の Musschenbroken やアメリカ人の Franklin など
によりライデン瓶や避雷針が開発されて、恐ろしい雷が電流の現象であると明らかにされ、神の怒りではなくなりました。19 世紀になると、イタリヤ人の Volta やフランス人の Ampere
やイギリス人の Faraday など多くの人により電導性や放電や電池や電信などの電流に関係した研究が進められてゆきましたが、日常生活に役立つような技術にまでは発展していませんでした。20 世紀になると Edison をはじめとする多くの研究者により、種々の電化製品が開発されて、日常生活を便利で快適なものにしてきました。1950 年代後半の日本人の生活に欠くことのできない耐久消費財の三種の神器は冷蔵庫と洗濯機とテレビと考えられていました。1960 年代半には三種の神器はカラーテレビとエヤコンと自動車になり、2000 年
代になると三種の神器はデジタルカメラと DVD レコーダーと薄型テレビにさらに変わってきました。それぞれの時代に日本人が最も欲しいと思う三種の神器が自動車を除けばす
べて電化製品であることからも、いかに現代の日常生活が電流の力に依存しているか分かります。19 世紀に明らかになってきた電気に関する現象は、Edison などにより 20 世紀に
その利用法が飛躍的に発展して、現在では日常生活に欠かすことの出来ない産物や技術をもたらしています。
他方、18 世紀までヨーロッパで伝え継がれてきた Alchemy（錬金術）は種々の物質を混ぜたり溶かしたり煮たり焼いたりして変化させることにより貴金属や不老長寿のクスリを合成するなどの金儲けの手段でした。19 世紀になると Alchemy の本質と思われる物質の変化に興味を持つ人が出てきて、次第に金儲けの手段から学問に進化してゆき、接頭語のAl が消えてなくなり Chemistry（化学）になりました。19 世紀半からは化学肥料や殺虫剤などの農薬の開発改良が農産物の安定した高い収穫を可能にしました。絹糸の価格の高騰に端を発した化学繊維の合成はナイロンやポリエステルやビニロンなどの天然繊維に優る性質を持つ優れた繊維を生み出しました。藍染めや茜染めに限られていた染色も種々の化学染料の開発により華やかなファッションに繋がりました。アスピリンやペニシリンなどの病を癒す多くの医薬品や環境衛生を改善する殺菌剤や石鹸が人間の平均寿命を格段に延長しました。物質が原子や分子で構成されていると考える化学的概念の基礎的な知識がこのように 19 世紀の間に蓄積され、20 世紀になると種々の化学的な産物や技術が開発されて、日常生活を便利で快適なものにしました。
原子は質量の重い中性子と陽子が原子核となって中心に座り、原子核の正電荷を打ち消すようにその周囲に陽子と同じ数の軽くて負電荷を持つ電子が広く分布しています。2 つの原子が接近すると一方の原子の原子核と他方の原子に属する電子が静電的に相互作用して、クーロン力が働き両原子が結び付けられます。物質は原子がイオン結合や共有結合や

101

金属結合で集合していますが、原子も分子も正電荷と負電荷が互いに打ち消し合うように
原子核の正電荷に相当する数の電子で釣り合っています。原子や分子の中で電子が移動すれば原子や分子の中に電流が流れますから原子や分子が電荷を持つようになります。また、磁石と電流の間には Fleming の提唱した右手と左手の法則の関係がありますが、原子や分子の中で運動する電子にもこれらの関係が成り立ちますから、原子や分子が磁性を示すよ
うになります。物質は原子や分子の集合体ですから、当然原子や分子の中における電子の動きが物質の性質に現れます。しかも、物質が固体と液体と気体の状態により原子や分子の並び方が変化しますから、電導性や磁性などの物性にも影響を与えます。鉄の原子が持
つ磁石の性質を整列するように並べて固めると強い磁石の性質が鉄の塊に現れます。
物質の中で原子は正電荷を持つ原子核と負電荷を持つ電子の間に働く静電引力で結び付けられていますが、このとき、原子間にはエネルギー的に安定な結合性軌道と反発力が働く不安定な反結合性軌道の 2 つの軌道が生じ、原子に属する電子はエネルギー的に安定な結合性軌道に移動するために、原子の相互作用によりエネルギーの安定化が起こり原子は互いに結合します。金属や黒鉛などでは多くのこのような結合が連続的に繋がるために、相互作用する結合性軌道の多くの軌道(価電子帯)を電子が充足しますが、相互作用する反結合性軌道の軌道(伝導帯)は電子が充足されず空になっています。この伝導帯に電子を送り込めば空の軌道を通って末端まで電子が流れますから、金属や黒鉛は極めて高い電導性を示します。しかし、価電子帯と伝導帯の間の禁制帯が大きな金属けい素やゲルマニウムは容易には伝導帯に電子を送り込むことができませんから、容易には電流を流すことができません。このような禁制帯の大きな物質に若干の不純物を故意に加えますと、原子の間で電子の移動の仕方が変わり、一方方向だけに電導性を示す半導体の性質が現れますから、ダイオードやトランジスターに組み込み多くの電子部品に利用されています。
プラスティックのように分子が集合して形作られている物質では結合が連続的に繋がっておらず、分子と分子の間に電子の移動がほとんど有りませんから極めて良い絶縁体として働きます。しかし、このような電子の移動が困難な物質でも構成する原子や分子の中には多くの電子がありますから、物質が電場の中に置かれる時にはそれらの分子や原子の中で電子が偏在したり移動したりして電荷を持ったり磁性を示すようになります。この現象は電子部品として欠くことのできないコンデンサーに用いられていますし、電子レンジに応用されて物質の効率的な加熱に役立っています。
イオンは原子の持つ陽子の数と電子の数が異なっていますから、陽イオンと陰イオンはそれぞれ正と負の電荷を持っています。これらのイオンは通常の環境ではあまり安定でありませんが、水の誘電率が高いためにイオンの持つ電荷が水の中に分散してイオンは安定に存在することができます。液体の水の中ではイオンは自由に動き回ることができますか
ら、電場の中ではイオンと電極の間に静電引力が働き、陽イオンと陰イオンはそれぞれ陰極と陽極に引き寄せられます。このように水の中をイオンが移動しますとイオンは電荷を帯びていますから結果として電流が流れます。

102

原子や分子が結合している相手を変更して異なる分子への変化を化学反応と呼んでいますが、代表的な化学反応として置換反応、付加反応、脱離反応、酸化反応、還元反応が知られており、さらにこれらの反応が複雑に組み合わさって自然界の物質変化がなされています。これらの多くの反応の中で酸化反応は原子あるいはイオンが電子を放出する反応
であり、還元反応は電子を受け取る反応ですから、この２種の反応が同時に進行するときには電子の遣り取りが起こります。電池はこの酸化・還元反応を利用するもので、本質的には化学エネルギーを電気エネルギーに変換しています。逆に、発電所で発電した電流を利用して強制的に酸化・還元反応を進行させることもでき、この電気エネルギーを化学エ
ネルギーに変換する反応を電気分解と呼んでいます。
このように電気が日常生活に関与するようになった過程と、化学の日常生活への関与の過程は時代的に良く似ていました。その上、電流は物質の中を電子の流れる現象であり、化学は物質の中の電子が示す性質に関する知識や技術ですから、両者はともに電子の挙動を基本にしています。そのため、両者の関与の過程はしばしば互いに交錯しともに影響し合いました。現在も将来も化学と電気に関する知識や技術は互いに相補い相互に影響しあいながら進歩を続けて行くと思われますから、電化という言葉に対する「熱・光・動力などを、電力を利用することでまかなうようにすること、または、生活に各種の電気器具を取り入れること、または、鉄道車両を電力によって動かすようにすること」という意味のほかに、著者はこの電気と化学の間の深い関係を電化の意味に加えてはどうかと思います。
本書では日常生活の中に快適と便利をもたらしている電化製品を物質の中の原子や分子の並び方に関する化学の知識を織り交ぜながら独善的に調べて、電化の関係を見てきました。さらに、身近な事柄として電化製品の働きを生み出すからくりの合理性を化学的に考えてきました。日常生活の中で用いられている電化製品の中に隠れた技術や知識のうちで、何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。
また、逆に多くの化学的な技術や知識が日常生活を快適にする新たな電化製品を生み出す
助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。本書が電化の関係を深める上で貢献できればよいと思っています。

103

索引

あ
IH ヒーター ........................................4, 56

アクチニド金属元素 ................................ 9

エミッタ ........................................... 65, 67
塩橋 ........................................................ 96
炎色反応 ................................................. 86

おアセテート ............................................. 84
圧力 ......................................21, 22, 24, 26

オームの法則 .......................................... 54

アデニン ................................................ 68

温度係数 ............................... 48, 53, 54, 56

アマルガム法 ......................................... 98

温度検知器 ............................................. 53

アルカリ金属 ..................12, 13, 18, 26, 94

温度ヒューズ .......................................... 29

アルカリ土金属...................................... 19
アルカリ土類金属 .................................. 94
アルファベット.................................67, 69
アルミニウム ......................................... 94
アンモニア ............................................. 25

か外殻電子 .. 9, 11, 13, 15, 18, 19, 20, 26, 31,
52, 85, 88

碍子 .................................................... 7, 73
外部磁場 32, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43, 45,

い46, 57

イオン .............................................8, 9, 14

解離 ................................ 88, 89, 91, 92, 97

イオン化ポテンシャル ...11, 12, 13, 14, 15,

解離度 .................................................... 89

20, 85, 88, 92, 93

イオン結合 ...14, 15, 17, 21, 30, 34, 37, 71,
74, 76, 79, 88, 89, 92, 101

化学シフト ....................................... 42, 43
核磁気共鳴吸収 ........ 40, 41, 42, 43, 44, 57
隔膜 ........................................................ 99

陰イオン ...........................................13, 14

隔膜法 .................................................... 99

インターネット...................................5, 70

可視光線 ............................... 61, 78, 86, 87

う
運動エネルギー..21, 22, 24, 26, 27, 29, 32,
35, 36, 40, 45, 53, 57, 58, 79, 85

え
永久磁石 ...................36, 37, 39, 45, 46, 57
液晶 ..............................................4, 70, 79
液体 ................................21, 22, 24, 26, 80エステル ................................................ 84
X 線回折 ................................................ 76

ｎ型半導体 ......................61, 63, 64, 65, 67

ガスクロマトグラフィー ............ 31, 53, 54
価電子帯 18, 47, 50, 51, 52, 60, 61, 62, 64,
65, 71, 102

仮名 .................................................. 67, 69
ガラス状 ................................................. 24
ガラス状態 ............................................. 84
火力発電 ........................................... 46, 55
感温材料 ................................................. 29
還元 ........................................................ 94
還元剤 ........................................ 95, 96, 97
還元反応 .... 6, 7, 88, 91, 92, 93, 95, 97, 99,
100, 103

FID ......................................................... 31
104

き
気化 ......................................22, 24, 26, 27
希ガス元素 ............9, 12, 13, 14, 34, 85, 86
気化熱 ...............................................25, 26
気体 .21, 22, 24, 26, 44, 53, 54, 75, 78, 79,

原子間距離 ..................... 21, 53, 57, 58, 76
原子分極 ........................................... 83, 84
原子量 .............................................. 31, 33
原子力発電 ............................................. 46
元素記号 ...................................................980, 83, 84, 85, 86, 87, 97, 102

基底状態 16, 18, 47, 50, 51, 60, 71, 85, 86,
102

軌道 ......................................................... 9
凝固点降下 ........................................27, 28
凝固点降下度 ......................................... 28
強磁性体 ...................35, 36, 37, 39, 42, 45
凝縮 ....................................................... 25
共鳴エネルギー...........................49, 50, 51
共有結合 .........................14, 16, 21, 71, 79

こ
硬磁性 .............................................. 37, 45
高分子化合物 .................................... 24, 83
黒鉛 .................. 23, 38, 51, 52, 60, 97, 102
固体 .......................... 21, 22, 24, 26, 35, 79
コレクタ ..................................... 65, 66, 67
こんがらかる .......................................... 23
コンデンサー .................................. 84, 102
コンピューター ................ 5, 60, 67, 69, 70

さ

禁制帯 .....................47, 60, 61, 62, 64, 102
金属イオン ............................................. 94

酸化 ............................................ 94, 98, 99

金属結合 18, 19, 26, 29, 30, 34, 47, 52, 53,

酸化還元電位 .................................... 93, 94

57, 60, 71, 72, 102くグアニン ................................................ 68
クーロンエネルギー . 11, 15, 30, 88, 89, 92
クーロン力 ... 11, 14, 15, 16, 17, 18, 30, 31,
32, 53, 74, 75, 78, 88, 91, 92, 101

酸化剤 .................................. 94, 95, 96, 97
酸化反応 .. 7, 27, 91, 93, 94, 95, 96, 97, 99,
100, 103
3 重結合............................................ 17, 49

酸素 ............................................ 24, 33, 83
３態 ...................................... 21, 24, 26, 27

し配位結合 ...........................................14, 16

け
蛍光灯 ...........................................3, 86, 87
蛍光物質 ................................................ 86
結合エネルギー..15, 17, 18, 19, 20, 21, 26,
27, 28, 29, 49, 71, 77, 79, 88

結合角 .................................................... 72
結合距離 ...............................21, 71, 72, 79
原子価 .................................................... 16
原子核 .. 8, 9, 11, 14, 15, 16, 17, 20, 32, 34,
40, 74, 88, 101

紫外線 ............................ 61, 64, 78, 86, 87
磁化率 ........................................ 36, 37, 38
磁気共鳴映像法 ...................................... 44
磁気モーメント ................................ 41, 44
σ結合 .................................................... 17
磁性 . 31, 34, 35, 36, 37, 39, 40, 42, 44, 45,
46, 56, 57, 102

質量数 ......................................................8
質量分析装置 .......................................... 33
シトシン ................................................. 68105

周期表 ...................................................... 9
重水素 ...................................................... 8
自由電子 .............18, 19, 26, 47, 50, 51, 60
Joule 熱 ..........................54, 55, 56, 57, 58

主量子数 ..................... 9, 11, 13, 15, 16, 18
昇華 ....................................................... 23
常磁性 .........................................36, 37, 42
状態方程式 ........................................21, 22
食塩 ....................................................... 99
磁力 ..........................31, 37, 39, 45, 46, 56

す水銀 ....................................................... 98

た
ダイオード . 3, 4, 6, 63, 64, 65, 67, 70, 102
帯電 .................................................. 30, 84
ダイヤモンド .................................... 60, 61
太陽光発電 ............................................. 65
耐容量 .................................................... 74
ダニエル電池 .......................................... 96
単結合 ........................................ 17, 49, 50
断続作用 ................................................. 67
炭素繊維 ................................................. 52
炭素−炭素単結合................................... 72
単体塩素 ........................................... 98, 99

水銀化合物 ............................................. 98
水酸化ナトリウム .............................98, 99
水蒸気 .................................................... 24
水素結合 .....................................25, 53, 75
水素陽イオン ........................................... 8水力発電 ................................................ 46

ち蓄電池 ........................................ 95, 97, 99
致死量 .................................................... 74
チミン .................................................... 68
柱上トランス .......................................... 74
中性子 . 8, 9, 11, 15, 16, 17, 20, 32, 34, 40,
74, 88, 101

せ正孔 ................................62, 63, 64, 65, 67

超電導 .................................. 44, 57, 58, 59

静電引力 ...............................21, 30, 71, 79
正電荷 .................................................8, 83
静電気 .........................................30, 31, 84
整流作用 ...........................................64, 67
精錬 ......................................6, 62, 99, 100
赤外線 ...............................................61, 64
絶縁性 ...............................7, 71, 72, 73, 74
遷移金属 ...........................9, 19, 34, 37, 93
遷移金属元素 ................................9, 34, 37

そ双極子モーメント .....75, 76, 77, 78, 79, 83
増幅 ..................................................66, 67
測温抵抗体 ............................................. 53
塑性 ....................................................... 24てDNA ........................................... 44, 68, 69
TCD 検知器 ............................................ 53

デオキシリボース................................... 68
デジタルカメラ .......................... 5, 70, 101
鉄...................................................... 93, 94
テトラメチルシラン ............................... 42
転移温度 ............................... 24, 36, 37, 40
電解質 .................... 89, 90, 91, 96, 97, 100
電気陰性度 ....................................... 43, 77
電気エネルギー7, 32, 45, 55, 56, 57, 64, 65,
67, 76, 83, 84, 87, 95, 97, 99, 100, 103

電気抵抗 45, 48, 49, 52, 53, 54, 55, 56, 57,
58, 72, 73, 84, 89, 90

電気抵抗率 ............... 48, 53, 54, 55, 89, 90
106電気分解 .......6, 7, 51, 97, 98, 99, 100, 103
典型金属 .................................................. 9
典型元素 ...........................................34, 37
電撃ショック ......................................... 84
電子 8, 9, 11, 14, 15, 16, 17, 20, 32, 34, 40,
74, 88, 91, 92, 101

電子親和力 ............................13, 14, 15, 88
電子の偏り ......................75, 76, 77, 78, 83
電子分極 ...........................................83, 84
電磁誘導 ...............................44, 45, 46, 56
電子レンジ ............................4, 77, 79, 102

はπ結合 ............................ 17, 49, 50, 51, 60
配向分極 ........................................... 83, 84
発光ダイオード ................................ 64, 65
発電 . 7, 45, 46, 55, 63, 73, 74, 97, 99, 100,103

反磁性 .............................................. 37, 42
ハンダ ................................................ 7, 29
バンド ........................................ 18, 47, 60
半導体 .............. 60, 61, 62, 65, 70, 71, 102

ひ電池 3, 7, 51, 95, 96, 97, 99, 100, 101, 103
電導性 3, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 56, 57,

ｐ型半導体 ..................... 62, 63, 64, 65, 67

58, 60, 62, 65, 73, 89, 90, 91, 97, 101,

PCB........................................................ 74102

光エネルギー ........................ 61, 64, 65, 87

伝導帯18, 47, 50, 51, 52, 60, 61, 62, 63, 64,
65, 71, 102と銅 ......................................................93, 94
同位元素 .................................................. 8
当量電導度 ..................................89, 90, 91
トランジスター.....4, 6, 65, 66, 67, 69, 102

光センサー ............................................. 65
非金属元素 ...............................................9
左手の法則 ............................... 32, 33, 102
火花放電 ................................................. 84
比誘電率 ................................................. 83
表意文字 ................................................. 67
避雷針 .............................................. 3, 101

ふな
ナイロン ................................................ 84
鉛蓄電池 .....................................95, 96, 99にニクロム ...........................................48, 56
2 重結合 ............................................17, 49

ね

Van der Waals 力 ................. 21, 53, 71, 79

フィラメント .............................. 29, 51, 56
フーリエ解析 .......................................... 44
風力発電 ................................................. 46
不対電子 ............................... 34, 37, 39, 46
沸点 . 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 58, 59, 74,
80, 85, 86

沸点上昇 ........................................... 27, 28

ネオンサイン ................................3, 86, 87

沸点上昇度 ............................................. 27

熱エネルギー ..................40, 46, 54, 56, 64

負電荷 ................................................ 8, 83

粘性 ....................................................... 24

プラスティック 5, 7, 24, 51, 56, 72, 74, 79,
91, 102

分子運動 ........................................... 79, 84107

分子間力 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 29, 35,
40, 53, 71, 72, 79, 80, 85

分子電導度 ............................................. 89や軟磁性 ........................................ 37, 39, 46

ゆ分子量19, 22, 23, 26, 27, 28, 31, 33, 72, 91

へ平面構造 .....................................23, 51, 97
ベース ...............................................65, 67
ベクトル和 ............................................. 78
ヘテロリシス ......................................... 20
変圧器 ...............................................46, 56

有機化合物 ............................................. 22
有機電導体 ....................................... 50, 51
誘磁率 ............................ 32, 37, 39, 45, 46
融点 . 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 55, 56,
74, 80

誘電率 .. 11, 15, 20, 73, 83, 84, 88, 89, 102よほ
放電 ....................................................... 84
放電管 .................................................... 86
飽和磁足 ...............................37, 39, 45, 46
保磁力 .........................................37, 39, 46
ホモリシス ............................................. 20
ポリアセチレン...........................50, 51, 60

陽イオン ................................. 8, 11, 15, 85
溶液 ........................................................ 27
陽子 8, 9, 11, 14, 15, 16, 17, 20, 32, 34, 40,
74, 88, 101

陽子数 .................................................. 8, 9
溶媒 .............. 15, 20, 27, 28, 42, 88, 89, 98

ら

ポリエチレン ..............................71, 83, 84
ポリ塩化ビニル.................................83, 84

ライデン瓶 ....................................... 3, 101

ポリスチレン ..............................71, 72, 84

ランタニド金属元素 ........................... 9, 34

ポリメタクリル酸 .................................. 84

まり
理想気体定数 .......................................... 21

マイクロ波 ........................................78, 79

臨界温度 ........................................... 57, 58

Meissner 効果 ....................................... 57

臨界磁場 ........................................... 57, 58

み右手の法則 ............................................. 45

れ
励起状態 16, 18, 40, 47, 50, 51, 60, 71, 85,

水の状態図 ............................................. 24
水俣病公害 ............................................. 98

86, 102錬金術 .............................................. 5, 101

めメッキ .............................................99, 100

ろ漏電 ........................................ 7, 55, 73, 74

もMorse 信号 .......................................68, 69

108