理学部生物分子科学科

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結晶の構造 (crystal structure)

 結晶は原子、分子、イオンなどが3次元的に規則正しく配列したものである。最小の繰り返し単位を単位格子という。
 金属結晶は面心立方格子(立方最密充填構造)、体心立方格子および六方最密充填構造のいずれかに属す(ポロニウムだけが単純立方格子)。2つの最密充填構造は、最も隙間なく金属イオンが結晶格子中に詰め込まれた構造である。金属はたたくと薄く広がったり(展性)、引っ張ると長くのびる(延性)性質がある。このような変形が可能なのは、原子がずれても自由電子による原子間の結合は保たれるからである。
 イオン結合でできた物質の結晶がイオン結晶である。陽イオンと陰イオンの半径比やイオンの価数によりさまざまな結晶構造がある。代表的なものとして、塩化ナトリウムが作る面心立方格子(塩化ナトリウム型構造)や塩化セシウムが作る単純立方格子(塩化セシウム型構造)がある。塩化ナトリウム型構造は陽イオンと陰イオンが交互に並んだ構造をしている。一方、塩化セシウム型構造は陽イオンと陰イオンが作る単純立方格子が互いに入り込んだ構造になっており、8個の陽イオンが作る格子の中心に陰イオンが1個存在している。あるいは、陰イオンが作る格子の中心に陽イオンが1個存在しているともいえる。イオン結晶は、イオン間の結合力が大きいので一般に融点が高く、硬いが、もろいので強い力を加えると割れる。
 分子が規則正しく並んだ固体を分子結晶という。分子結晶中で分子同士は弱い結合力であるファンデルワールス力で結合しているため、融点が低く、軟らかく、もろい物が多い。
 共有結合だけで原子が結びついた結晶を共有結合の結晶という。ダイヤモンドや二酸化ケイ素がその代表である。3次元的に原子が結びついているために、一般に融点が高く、きわめて硬いものが多い。

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