◇ 03.材料の電気伝導－化学結合の種類－

エネルギーと物質

物性には、熱物性、機械物性、電気物性、光物性がある。それぞれ、熱エネルギーに対して物質が

スペクトルでは、波長の短い青の方がエネルギーが大きく、波長の長い赤の方がエネルギーが小さいです。ストーブをがんがん燃やしても、日焼けせず、ちょっと日を浴びるとすぐ日焼けするのはそのためです。

	示強変数	示量変数	物質量あたり	粒子あたり

化学エネルギー`G`〔J〕	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数
熱エネルギー `Q` 〔J〕	温度 `T` 〔K〕	エントロピー `S` 〔J/K〕	気体定数 `R` 〔J/K・mol〕	ボルツマン定数 `k_B` 〔J/K〕
力学的エネルギー `E` 〔J〕	圧力 `p` 〔Pa〕	体積 `V` 〔m³〕	理想気体のモル体積 `x` 〔L/mol〕
電気エネルギー `E` 〔J〕	電圧 `V` 〔V〕	電気量 `Q` 〔C〕	ファラデー定数 `F` 〔C/mol〕	電気素量 `e` 〔C〕
光エネルギー `E` 〔J〕	振動数 `ν` 〔Hz〕			プランク定数 `h` 〔J・s〕

水は、10^-7程度は、H⁺とOH^-に乖離している。これをオートプロトリシスと言う。水の中の酸素原子と水素原子の結合は、共有結合だろうか？イオン結合だろうか？

ケイ酸塩は、ケイ素原子を酸素原子を取り囲んだ構造になっている。ケイ酸塩とはいうものの、ケイ酸イオンの状態はほとんど存在しないと言っていい。ケイ酸塩中の、ケイ素原子を酸素原子の結合は、共有結合だろうか？イオン結合だろうか？

結合の種類	結晶	性質や特色	物質の例

イオン結合	イオン結晶	固体は導電率が小さい（絶縁体）。水溶液や溶融塩は導電率が大きい。（キャリア：イオン）。	塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム
共有結合	分子結晶	分子式で表す。融点や沸点は低い。	酸素、アンモニア、水^※1、ドライアイス
共有結合	共有結合の結晶	黒鉛や導電性高分子は、例外的に電気を通す。	ダイヤモンド、黒鉛、ケイ素、水晶、石英^※2
金属結合	金属の結晶	導電率が大きい（キャリア：自由電子）。	銅、亜鉛、アルミニウム、リチウム

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。

固体の分類	結晶	性質や特色	物質の例

金属	金属	金属光沢がある。	銅、亜鉛
金属	半金属	ギャップ幅が狭く、価電子帯の頂上と伝導帯の底がフェルミ準位を横切っている	黒鉛、ビスマス、アンチモン
絶縁体	半導体	ギャップが比較的狭い	ケイ素（共有結合）、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素
絶縁体	絶縁体	ギャップが比較的広い	酸化アルミニウム（イオン結合）ダイヤモンド（共有結合）

電気を流すのは金属だけと思ってよい。それ以外に電気を流すのは特例である。

導体としては金属や合金が一般的であり、ＣｕやＡｌなどの金属は送電用ケーブルに使用される。
最新工業化学―持続的社会に向けて―より引用

現在の山形大学の使用電力は下記の図に示したとおりです。

電気が流れるのは電気を運ぶ何かが移動するからである。この電気を運ぶ何かをキャリア（担体）と言う。キャリアには電子とイオンがある。金属は電子伝導、電解液はイオン伝導である。欠陥がキャリアになることもある。電子の欠陥はホール（正孔）であり、イオンの抜け穴はベーカンシー（空孔）と呼ばれる。

電気伝導の分類	物質の分類	物質の例

電子伝導	金属、半導体	銅、アルミニウム、亜鉛
混合伝導	半金属	黒鉛、酸化マンガン（Ⅳ）、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム
イオン電導	電解液、電解質	酸化アルミニウム（イオン結合）

空気は電気を流しません。流そうとすると１センチあたり３万ボルトの電圧が必要です。

真空は電気を流します。

分類	結晶	性質や特色	物質の例

気体	プラズマ	電離したイオンと電子が動く	雷
液体	電解質溶液	溶媒中を溶媒和したイオンが動く	食塩水, KOH aq, LiPF6/EC+DEC
液体	溶融塩、イオン液体	イオンが動く	LiCO₃+KCO₃
固体	ゲル電解質	溶媒で膨潤したマトリクス中をイオンが動く	ＰＶＤＦ
固体	固体電解質	固定された格子中をカチオンが動く	AgI LiF(SEI) ポリマー電解質