セラミックスと元素|共有結合とイオン結合

セラミックスと元素|共有結合とイオン結合

セラミックスを勉強していると、共有結合やイオン結合というワードが出てきます。そういうえば、高校時代に習ったようなワードですが、この共有結合やイオン結合がセラミックスをセラミックスたらしめているゆえんであり、多くの性質において本質的な側面を持っているようです。(たとえば耐熱性!)いろいろ頭が混乱してしまうので、ここでは、まず比較対象として、金属の金属結合と、セラミックスに関する共有結合とイオン結合に着目して勉強したいと思います。

目次

元素について
金属は金属結合
セラミックスは共有結合・イオン結合
正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持つ陰イオンの間の化学結合
イオン結合と共有結合の混在型
代表的なセラミックス

元素について

セラミックスは周期律表の大部分の元素からなっていますが、一方で、金属材料は金属元素と遷移元素などに、有機材料は炭素、水素、酸素、窒素、リン、、硫黄に限られています。この元素の化学結合の多様さがセラミックスの性質の多様さに由来します。なお、金属材料は金属結合、セラミックスはイオン結合や共有結合をしており、有機材料は分子間のフアンデルワールス結合をしています。

金属結合

金属結合

金属は金属結合

金属は、金属原子で作られているのですが、正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持った自由電子で成り立っています。自由電子が、こいつはとにかく自由ですから、いろいろ動きまわるわけですが、それゆえに金属は電気が流れたり、熱を運んだりするわけです。自由を奪われると、誰も電気や熱を運びませんからね。

イオン結合と共有結合

イオン結合と共有結合

セラミックスは共有結合・イオン結合

じゃ、セラミックスはどうなのかというと、たいてい電気を通しませんから、なんとなく自由が奪われているんじゃないかと予想しつつ、そのあり方について見て行きましょう。共有結合のセラミックス場合だと、原子同士でお互いの電子を共有して化学結合を結びついているようです。なんて自由のない電子なのだ!ただ共有している分、結合は非常に強く、羽交い絞めにしているイメージかな?共有結合は金属原子で生じる場合はほとんどなく、セラミックスの場合だと考えてください。これは私の根拠のない推測ですが、この結びつきが強い共有結合がなんらかの条件下で電子が開放された時、熱や電子を運べるわけですから、なにかと利用できるのかな?と思っています。

正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持つ陰イオンの間の化学結合

次にイオン結合のセラミックスの場合、正電荷を持つ陽イオンと負電荷を持つ陰イオンの間の化学結合です。ここだけ読むと共有結合と同じじゃないの?と思ってしまいます。私にもわかりやすい説明と言えば共有結合が非金属と非金属で、イオン結合は非金属と金属での結合です。ここまでくると金属と非金属の間がわからなくてふわふわします。そして、さらに悩ませることにイオン結合と共有結合の混合した結晶(クリスタル)または非晶質(アモルファ)というのがあり、こうなってくるともうわけがわかりません。
こんなにややこしいセラミックスですが、固い、強い、耐熱、耐触、電気的絶縁といた“男らしい”形容詞は、イオン結合と共有結合にあるので、どうしても勉強しないといけないのかなぁと思います。このセラミックスは原料がこれとあれで共有結合性が70%だよ、なんて言われたときにだいたいこんな性質かな?ぐらいの検討つけれたらカッコいいなぁ。

イオン結合と共有結合の混在型

セラミックスの中でも、マグネシアはイオン結合100%、ダイアモンドやシリコンは共有結合100%からできており、非常にわかりやすいのですが、大部分のセラミックスはイオン結合と共有結合の性質が混在しています。個別に確認しないといけません。

代表的なセラミックス

代表的なセラミックスをあげておきましょう。
イオン結合:マグネシア MgO
,
共有結合:炭化珪素SiC,ダイヤモンドC,シリコンSi