イオン結合と金属結合

陽イオンと陰イオンの静電気的な引力によるイオン結合と、自由電子による金属結合を見分け、金属の電気伝導性・展性・延性の理由を説明する文の正誤を判定できる

前提

イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

原子どうしが結びつくしくみ（化学結合）のうち、陽イオンと陰イオンが引き合う「イオン結合」と、金属原子が自由電子を出し合って集まる「金属結合」の 2 つを学びます。物質がどの元素からできているかを見て、どちらの結合でできているかを見分けられるようになります。さらに、金属が電気や熱をよく通すこと、たたくと薄く広がる（展性）・引っぱると細く延びる（延性）ことの理由を、自由電子を使って説明する文の正誤を判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

ナトリウムのようにイオン化エネルギーが小さい金属元素の原子は、価電子を失って陽イオン（ $N a^{+}$ ）になりやすく、塩素のように電子親和力が大きい非金属元素の原子は、電子を受け取って陰イオン（ $C l^{-}$ ）になりやすい性質があります。こうしてできた陽イオンと陰イオンは、プラスとマイナスの電荷をもつので、静電気的な引力（クーロン力）で強く引き合います。これがイオン結合です。そのため、イオン結合は主に「金属元素＋非金属元素」の組み合わせでできます。イオン結合でできた物質（イオン結晶）は、陽イオンと陰イオンが規則正しく交互に並んでいて、たとえば $NaCl$ のように、陽イオンと陰イオンの数の比を最も簡単な整数比で表した組成式で表します。固体ではイオンが決まった位置から動けないので電気を通しませんが、融かして液体にしたり水に溶かしたりするとイオンが動けるようになり、電気を通します。

一方、金属元素の原子どうしが集まると、どの原子も価電子を放しやすいので、価電子は特定の原子に属さず、金属全体を自由に動き回るようになります。この電子を自由電子といいます。自由電子が、規則正しく並んだ金属原子（陽イオンのようになったもの）の間を動き回り、全体をつなぎとめている結合が金属結合です。金属結合は「金属元素だけ」でできた物質（単体の金属や合金）に見られます。

金属の性質は自由電子で説明できます。電圧をかけると自由電子が一方向に移動するので、固体のままでも電気をよく通します（電気伝導性）。熱もよく伝えます。また、金属に力を加えて原子の並びがずれても、自由電子が原子の間を動いて結合を保ち続けるので、割れずに変形できます。これが展性（たたくと薄く広がる性質）と延性（引っぱると細く延びる性質）の理由です。これに対してイオン結晶は、強い力を加えて並びがずれると、同じ符号のイオンどうしが向き合って反発し、割れてしまいます。

手順

物質をつくる元素が、金属元素か非金属元素かを確認する
「金属元素＋非金属元素」ならイオン結合（例: $NaCl$ , $MgO$ , $CaC l_{2}$ ）、「金属元素だけ」なら金属結合（例: $Fe$ , $Cu$ , $Al$ ）と判断する
結合のしくみを確認する。イオン結合は陽イオンと陰イオンの静電気的な引力、金属結合は自由電子が金属原子の間を動き回って原子どうしを結びつける
電気伝導性を判定する。金属は固体でも自由電子が動くので電気を通す。イオン結晶は固体では電気を通さず、液体（融解したもの）や水溶液では電気を通す
変形のしやすさを判定する。金属は自由電子が結合を保つので展性・延性をもつ。イオン結晶は力を加えると割れやすい

例題

イオン結合と金属結合について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　塩化ナトリウムの結晶は、固体のままでも電気をよく通す。
イ　金属が電気をよく通すのは、金属の中を自由電子が移動できるからである。
ウ　金属結合は、陽イオンと陰イオンが静電気的な引力で引き合ってできる結合である。
エ　金属は、力を加えて原子の並びがずれると、同じ符号のイオンどうしが反発して割れやすい。

例題の解答

それぞれの文が、どちらの結合についての文かを見分けて判定する。

ア: 塩化ナトリウムは金属元素 Na と非金属元素 Cl からなるので、イオン結合でできたイオン結晶である（手順 1・2）。固体ではイオンが動けないので電気を通さない（手順 4）。よって誤り。

イ: 金属は金属結合でできていて、自由電子が金属全体を動き回っている（手順 3）。電圧をかけると自由電子が移動するので、電気をよく通す（手順 4）。よって正しい。

ウ: 陽イオンと陰イオンの静電気的な引力による結合はイオン結合である。金属結合は、自由電子が金属原子の間を動き回って原子どうしを結びつける結合である（手順 3）。よって誤り。

エ: 力を加えて同じ符号のイオンどうしが反発して割れるのは、イオン結晶の性質である。金属は、並びがずれても自由電子が結合を保つので割れずに変形でき、展性・延性をもつ（手順 5）。よって誤り。

以上より、正しいものはイである。

答え:

イ

よくある誤り

イオン結晶は固体でも電気を通すとしてしまう誤り。正しくは、 $NaCl$ などのイオン結晶は固体ではイオンが動けないので電気を通さず、融解した液体や水溶液（ $NaCl \to N a^{+} + C l^{-}$ と電離したもの）になって初めて電気を通す。
金属が電気を通すのは陽イオンが移動するからだとしてしまう誤り。正しくは、金属の中で移動して電気を運ぶのは自由電子であり、金属原子は決まった位置に並んだままである。
金属結合を陽イオンと陰イオンの引力による結合としてしまう誤り。正しくは、金属には陰イオンはなく、価電子が自由電子となって金属原子全体に共有され、原子どうしを結びつけている。陽イオンと陰イオンの引力による結合はイオン結合（例: $MgO$ は $M g^{2 +}$ と $O^{2 -}$ の結合）である。
展性・延性をイオン結晶の性質としてしまう誤り。正しくは、展性・延性は自由電子が結合を保ち続ける金属の性質で、イオン結晶は力を加えると同じ符号のイオンどうしが向き合って反発し、割れやすい。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
銅やアルミニウムなどの金属の固体は、電気をよく通す。その理由として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　金属の固体の中では、金属の陽イオンが自由に移動できるから。
- イ　金属の固体の中では、陽イオンと陰イオンが静電気的な引力で結びついているから。
- ウ　金属の固体の中では、原子どうしが共有電子対を出し合って結びついているから。
- エ　金属の固体の中では、自由電子が金属全体を動きまわることができるから。

この技能を使う問題

難易度 4（国公立二次の標準レベル）
化学結合と結晶の性質について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア　塩化ナトリウムの結晶は、固体のままでは電気を通さないが、加熱して融解させた液体は電気を通す。
- イ　アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ の 4 つの $N - H$ 結合のうち 1 つは配位結合によってできるが、できた後の 4 つの $N - H$ 結合は互いに区別できない。
- ウ　ダイヤモンドは共有結合の結晶であり、固体のままで電気をよく通す。
- エ　金属が展性・延性を示すのは、自由電子が金属原子の間を動いて原子どうしを結びつけているので、原子の位置がずれても結合が保たれるためである。
- オ　ヨウ素の結晶は、ヨウ素分子どうしが共有結合で結びついてできた分子結晶である。

この技能の次に学べること

結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
溶解のしくみ（水和）と極性による溶けやすさ（高校化学溶液の性質（知識））