NaCl結晶の生成と融解NaCl Crystal: Formation and Melting

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. ばらばらのNa⁺とCl⁻が集まって結晶をつくるとき、同じ種類のイオンどうしが隣り合うことはあると思いますか。When scattered Na⁺ and Cl⁻ ions come together to form a crystal, do you think ions of the same kind will end up next to each other?💡 同じ符号の電荷どうし、反対符号の電荷どうしの間にはどんな力が働くでしょうか。What force acts between charges of the same sign, and between charges of opposite sign?
2. 固体のNaClを300 Kから1000 Kまで温めると、イオンの動きはどう変わると思いますか。そのとき結晶はまだ固体のままでしょうか。If solid NaCl is heated from 300 K to 1000 K, how do you think the motion of the ions will change? Will it still be a solid?💡 NaClの融点(画面の解説に書かれている)と比べてみましょう。Compare 1000 K with the melting point of NaCl given in the on-screen explanation.

2動かしてみようTry it

1. ページを開くと「生成中(気相イオンが引き合う)」から始まる。約15秒、状態表示と「結晶化率」「最近接が異種イオンの割合」の変化を見て、「固体(格子)」になるまで待つ。The page starts in "Forming (gas ions attract)". For about 15 seconds, watch the state label and how "Fraction crystallized" and "Nearest neighbor is the opposite ion" change, until it says "Solid (lattice)".
2. 「1000 K」ボタンを押し、300 Kのときと「振動の大きさ(固体, RMS)」「移動度」を比べる。Press the "1000 K" button and compare "Vibration size (solid, RMS)" and "Mobility" with the values at 300 K.
3. 「1300 K」ボタンを押し、状態が「融解中」から「液体(溶融)」に変わるまでの様子と、黄色い線(目印イオンの軌跡)の動きを見る。続けて「1800 K」にして移動度を読む。Press "1300 K" and watch the state change from "Melting" to "Liquid (molten)", along with the yellow lines (tracks of two marked ions). Then press "1800 K" and read the mobility.
4. 「300 K」ボタンを押し、「再結晶中(凝固)」を経て「固体(格子)」に戻る様子を見る。途中で「一時停止」を押して、Na⁺とCl⁻の並び方を観察してもよい。Press "300 K" and watch it pass through "Recrystallizing (freezing)" back to "Solid (lattice)". You may press "Pause" partway to look closely at how Na⁺ and Cl⁻ are arranged.
5. 「初期イオン数」スライダーを10対や200対に変え(変えると生成からやり直しになる)、どのイオン数でも「Na⁺ の数」と「Cl⁻ の数」が等しいことを確かめる。Change the "Starting ions" slider to 10 pairs or 200 pairs (this restarts the formation), and check that "Number of Na⁺" and "Number of Cl⁻" are always equal.

3確かめようCheck

1. 画面上のNa⁺とCl⁻の大きさはどう違いましたか。結晶の中で各イオンのまわりにはどんなイオンが並んでいましたか。How did Na⁺ and Cl⁻ differ in size on screen? What ions surrounded each ion in the crystal?→ Cl⁻(半径181 pm)はNa⁺(102 pm)の約1.8倍大きい。結晶では各イオンの上下左右に反対符号のイオンが並び(断面で4個、立体では前後を含めて6個 = 配位数6)、同種イオンは隣り合わなかった。固体では「最近接が異種イオンの割合」が100%になった。Cl⁻ (radius 181 pm) is about 1.8 times larger than Na⁺ (102 pm). In the crystal, opposite ions sit above, below, left and right of each ion (4 in the slice, 6 in 3D including front and back = coordination number 6), and same-kind ions are never neighbors. In the solid, "Nearest neighbor is the opposite ion" reached 100%.
2. 300 Kと1000 Kの固体で、振動の大きさ(RMS)と移動度はそれぞれどうでしたか。In the solid at 300 K and at 1000 K, what were the vibration size (RMS) and the mobility?→ 振動の大きさは300 Kで約14 pm、1000 Kで約24 pmと大きくなったが、どちらも状態は「固体(格子)」で、移動度は約0.00〜0.02 d²とほぼゼロのまま。イオンは平衡位置のまわりで振動するだけで移動しない。The vibration size grew from about 14 pm at 300 K to about 24 pm at 1000 K, but both were still "Solid (lattice)" and the mobility stayed almost zero (about 0.00–0.02 d²). The ions only vibrate around their fixed positions and do not move away.
3. 1300 Kと1800 Kでは、状態と移動度はどうなりましたか。What were the state and mobility at 1300 K and 1800 K?→ 1300 K(融点より+226 K)では「融解中」を経て「液体(溶融)」になり、結晶化率0%、移動度は約1 d²に急増した。1800 Kでは移動度は約1.8 d²とさらに大きくなった。液体でもNa⁺とCl⁻は1:1で、最近接が異種イオンの割合は8〜9割程度残っていた。At 1300 K (226 K above the melting point) it passed through "Melting" to "Liquid (molten)", with 0% crystallized and the mobility jumping to about 1 d². At 1800 K the mobility rose further to about 1.8 d². Even in the liquid the ratio stayed 1:1, and about 80–90% of nearest neighbors were still opposite ions.
4. 液体の状態から300 Kに下げると、どうなりましたか。What happened when the liquid was cooled to 300 K?→ 「再結晶中(凝固)」を経て、十数秒で結晶化率100%の「固体(格子)」に戻り、移動度はほぼ0になった。It passed through "Recrystallizing (freezing)" and, within about ten to twenty seconds, returned to "Solid (lattice)" with 100% crystallized and almost zero mobility.

4考えようThink further

1. NaClのようなイオン結晶の融点が高い(1074 K)のはなぜでしょうか。Why do ionic crystals such as NaCl have a high melting point (1074 K)?→ Na⁺とCl⁻が強い静電引力で多数の反対符号イオンと結びつき、格子エネルギーが大きい(NaClで約787 kJ/mol)から。格子を崩すには、イオンが平衡位置を離れられるほど大きな熱運動が必要になる。Na⁺ and Cl⁻ are held by strong electrostatic attraction to many opposite ions, so the lattice energy is large (about 787 kJ/mol for NaCl). Breaking the lattice needs thermal motion large enough for ions to leave their positions.
2. 固体のNaClは電気を通さないが、融解したNaClは電気を通します。シミュレーションで見た移動度の変化から説明しましょう。Solid NaCl does not conduct electricity, but molten NaCl does. Explain this using the change in mobility you saw in the simulation.→ 固体ではイオンは格子点で振動するだけで移動度がほぼ0なので、電荷を運べない。融解するとイオンが自由に動き回れる(移動度が約1 d²以上に増える)ので、電圧をかけると陽イオンと陰イオンが移動して電流が流れる。In the solid, ions only vibrate at lattice points and the mobility is almost zero, so they cannot carry charge. When melted, the ions can move freely (mobility rises to about 1 d² or more), so under a voltage the positive and negative ions move and a current flows.

よくある誤解Common misconceptions

• 「NaClの結晶はNaCl分子がたくさん集まったもの」という誤解。決まった相手と組む分子はなく、各イオンは6個の反対符号イオンに囲まれている。NaClは組成式で、Na⁺:Cl⁻ = 1:1の比を表す。"An NaCl crystal is made of many NaCl molecules." There are no fixed pairs; each ion is surrounded by 6 opposite ions. NaCl is a formula unit showing the 1:1 ratio of Na⁺ to Cl⁻.
• 「固体の中のイオンは全く動いていない」という誤解。固体でもイオンは平衡位置のまわりで熱振動しており、温度が高いほど振動は大きい。"Ions in a solid do not move at all." Even in a solid, ions vibrate around their fixed positions, and the vibration grows with temperature.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)