今日も理由を記述する問題についてです。
□問題１
ダイヤモンドは電気を通さないが,黒鉛は電気を通す理由は？
□解答例
黒鉛は炭素の４個の価電子のうち１個が平面網目構造の層を自由に移動することができるため。
ダイヤモンドは価電子がすべて共有結合に使われているが,黒鉛では共有結合に使われていない価電子があるため。
ダイヤモンドは炭素原子の４個の価電子をすべて共有結合に使った正四面体型の立体網目構造であるが,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,残り１個の価電子が結晶中の平面内を自由に動き回ることができるため。
□問題２
ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛はもろい(軟らかい)理由は？
□解答例
黒鉛がもろいのは,平面網目構造の層間が分子間力による弱い結合のため。
ダイヤモンドは,すべての炭素原子は,４個の価電子すべてをつかって４個の炭素原子と非常に強い共有結合を形成するため非常に硬い。
一方,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,平面どうしが弱い分子間力で結びついているため,平面同士がずれやすく軟らかい。
※補足解説
ダイヤモンドは炭素原子が正四面体の中心と各頂点に位置した立体構造となっており,炭素原子の価電子４個すべては原子間の共有結合に使われているので,電気伝導性はありません。
一方,黒鉛は炭素原子が３個の価電子を使い,正六角形の網目状に結合し平面構造をつくっています。この平面が幾つも重なり合った層状の結晶をつくっているのです。このため,炭素原子に残った１個の価電子が,平面構造に沿って移動できるので,黒鉛には電気伝導性があります。
※ダイヤモンドと黒鉛の用途
ダイヤモンドは,宝石として重宝される他に,天然の物質の中で最も硬いことから研磨剤などに用いられています。
黒鉛は,層間は結合力が弱い分子間力によって結合しているため,層状にはがれやすく,鉛筆の芯などに用いられています。
また,炭素の単体には,ダイヤモンド,黒鉛,フラーレン,カーボンナノチューブ,無定形炭素などの同素体があります。
□フラーレン
C60,C70などの分子式をもつ球状の分子。1985年にすすの中から発見され，現在研究が進められている。
□カーボンナノチューブ
黒鉛の層を円筒状に巻いた構造をもつ分子。1991年に日本で発見され,半導体などの電子材料として注目を集めている。
□無定形炭素
黒鉛の微小な結晶が不規則に配列したもの。脱水剤として用いられる活性炭やカーボンブラック・木炭もその一種。
■実際に出題された問題は下記になります。
■ダイヤモンドと黒鉛で,電気を導く性質をもつのはどちらか。その理由も記せ。
(2009 お茶の水女子大学 理 )
■ダイヤモンドや黒鉛のように,原子間の共有結合によって結晶が形成されている。ダイヤモンドと黒鉛は,ともに炭素の単体で互いに同素体の関係にあるが,構造も性質も異なっている。ダイヤモンドは電気を通さないが,b)黒鉛は電気を通す。
問 下線部(b)の理由を説明せよ。
(2009 島根大学 総合理工 一部改 )
■ダイヤモンドの結晶は,各炭素原子に4つの炭素原子が正四面体形に結合した構造になっている。
ダイヤモンドと黒鉛の性質の違いとしては,例えば,(b)ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかくはがれやすい,(c)ダイヤモンドはほとんど電気を通さないが,黒鉛は電気をよく通す,などがある。
問 下線部(b),(c)それぞれについて,ダイヤモンドと黒鉛の性質が違う理由を70字以内で述べよ。
(2010 静岡大学 農 理 )
■a)黒鉛がダイヤモンドとは異なり電気の良導体であることに関係している。
問 下線部a)について,図2に示した構造および炭素の価電子の状態を考慮して,黒鉛が良導体である理由を45字以内で答えよ。
(2010 東北大学 医 工 歯 農 薬 理 )
■炭素の同素体のうち,ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)について,両者の電気伝導性の違いを結晶構造に基づいて,説明しなさい。
(2011 信州大学 農)
■ダイヤモンドと黒鉛について考えよう。両者はどちらも炭素の単体であるが,性質が全く異なる。例えば,ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかい。電気伝導性に関しては,ダイヤモンドは絶縁体であるが,黒鉛は電気伝導体である。
問 ダイヤモンドと黒鉛では,なぜ硬さと電気伝導性に違いが生じるのか。それぞれ理由を説明しなさい。
( 2013 千葉大学 理 )
■ダイヤモンドと黒鉛は,共に多数の炭素原子が共有結合によって結びついた結晶である。ダイヤモンドの結晶は無色で非常に硬く,宝石や研磨剤などに利用されている。一方,黒鉛は光沢のある灰黒色の結晶で,軟らかく電気をよく伝えるため,鉛筆の芯や電極などに使用されている。
問１ 黒鉛はダイヤモンドと比べると非常に軟らかい。なぜ黒鉛の結晶は軟らかいのか,その理由を説明せよ。
問２ 黒鉛がよく電気を通す理由を説明せよ。
(2012 大阪教育大学 教育 一部改)
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ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)に関する理由を記述する問題
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