なぜ金属は電流が流れる？「金属結合/自由電子」「熱伝導性/導電性」をシミュレーターで理解しよう！[化学入門]

2022-05-05　 化学結合

前回までの記事で、化学の原子についての解説をしてきました。今回からはそれを用いて「化学結合」について解説していきます！

本記事では「金属結合/自由電子」「熱伝導性/導電性」を解説していきます！
金属とは何か？を改めて考えてみましょう！

金属とは

金属の特性

金属とは私達の世界と馴染み深いものです。では、どのようなものを金属というかというと、、、↓のような性質を持ったものを言います。

これらは金属全般での特徴です。金/銀/銅/鉄/アルミなど種類は違っても、基本的にこのような性質をすべてもっているんです！

それは何故かというと、、、、金属は「自由電子」を持っているからです！これについては、シミュレーターを用いて詳しく解説していきます！

金属元素

それでは金属元素はどれぐらいあるのかというと、、、↓周期表の灰色部分が全て金属元素になるんです！実は非金属元素よりも圧倒的に数が多いんですね！

ここで大事なのは「周期表の右上に非金属があり、それ以外は金属(水素は除く)」ということです。前回記事で、右上になるほど大きくなる「電気陰性度」を解説しましたが、これと関連がありそうですね。

以後、詳しく「金属とは何か」を解説していきます！

金属 = 原子核の束縛が薄く、自由に電子が動けるもの

金属とは「自由電子を持つもの」と言えます。では自由電子とは何かというと↓のようなイメージになります。

これは、「電気陰性度」が関係します。電気陰性度とは「原子核が共有電子を自分のほうにひっぱる力」でした。つまり「電気陰性度 = 電子にとっての重力」みたいなものです。これがあるので、電子は原子核の周りをクルクル回ってるんですね。

しかし、「電気陰性度」が低いものはその束縛が薄いため、原子間を電子が移動出来るんです！このようにして金属同士が電子を共有することによって、金属同士がくっつきます。これを「金属結合」といいます。

この金属結合/自由電子状態をシミュレーターで確認してみましょう！

金属結合/自由電子シミュレーター

では、実際に「自由電子」とは何かをシミュレーターで見てみましょう！
このシミュレーターでは初期状態は通常の原子です(電子を共有しない状態)。↓の切り替えボタンを押すと、金属結合状態となり、自由電子の動きになります！
自由電子になると、原子間をどんどん移動していくようになるのを観察してみましょう。

↓「切り替え」ボタンを押してみてください！

* 赤色が原子核、青色が電子を表しています
　
　
　
シミュレーターを金属結合(自由電子）状態にすると、束縛が外れ、↓のように自由に電子がいろんなところに移動するのが観察できるかと思います！

熱伝導性 = 自由電子が熱を運ぶため！

ここで自由電子によって、金属の熱伝導性が説明できます。自由電子が高速に動いているので、「熱も自由電子によって高速に拡散される」んです！

だから、金属は火にかけるとすぐ熱くなるんですね！

金属はなぜ電流を流す？(導電性)

次に、導電性について解説します。これも「自由電子」によって説明可能です。自由電子はフラフラと移動しているので、少しでも電圧があればその方向に移動していき、電流となるんです！この動きをシミュレーターで確認してみましょう！

↓のシミュレーターは、切り替えボタンで電圧をON/OFFを切り替えられます。電圧をONにすると、自由電子は左から右に流れはじめます！

↓「切り替え」ボタンを押してみてください！

　
　
　
電圧をONにすると、電子が左から右に移動し始めるのが分かると思います！
コチラの物理のページで解説していますが、「電流 = 電子の移動」です。

このように電子の移動が起きるのは「自由電子を持っているから」なんです。つまり、導電性は金属の特性と言えるんです！

↓の図のような回路で、金属の自由電子が移動して回路を周回したとき、「電流が流れている」と言えるのです！

まとめ：金属 = 自由電子を持つ元素！それによって様々な特性が発生！

今回は金属について基礎的な性質を解説しました。大事なのは「金属 = 自由電子を持つ元素」という部分です。金属は電気陰性度が低く、電子の束縛力が低いです。なので、電子が原子核から離れて「自由電子」になってしまうんです！

そして、その自由電子によって金属特有の性質が現れてきます。熱が伝わりやすくなるため「熱伝導性」、電圧がかかると自由電子はその方向に移動しはじまるので「導電性」が出てくるわけです。

次回は今回説明できなかった「光沢性」「展延性」について解説していきます！
　

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