JP2009093205A

JP2009093205A - 分子模型

Info

Publication number: JP2009093205A
Application number: JP2009021916A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Sato; 和久佐藤
Original assignee: HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSH; HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSHO KK
Current assignee: HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSH; HINOMOTO GOSEI JUSHI SEISAKUSHO KK
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】簡単に種々の結晶模型を形成可能にするとともに、外部から透視して原子模型を看取ることを可能にし、また単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などを初学者でも極めて容易に把握可能にする。
【解決手段】球１１３、１１４、１／２球１１５、１／４球１１６および１／８球１１２と、上記各球の１つまたは複数を収納することにより、各球を種の結晶の原子配列通りに配置可能な立方体または直方体の透明容器１１１とを備え、この透明容器１１１を単位格子としてこの単位格子内の原子配列状態を表現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学教材等として利用するための分子模型に関するものである。

従来から、知られているように、分子模型には数種の種類があり、その１つは球−棒状の分子模型である。これは、適当な大きさの複数の球に、原子価角に合わせて連結孔をあけ、球の中心間の距離が原子間距離に対応するように棒の両端を上記の連結孔に挿し込んで、各球を連結したものである。
また、他の１つは空間充填模型またはスチュアート型模型と称されている模型である。これは、分子を構成する原子のフアン・デル・ワールス半径に相当する部品を、結合半径および原子価角に合うように結合したものである。

例えば、エチレン（ＣＨ_２＝ＣＨ_２）は平面状分子であり、球−棒状模型では図９に示すように表わされ、空間充填模型では図１０に示すように表わされる。
従来の球−棒状模型では、水素原子を表す球状部品１１Ａ、１５Ａおよび炭素原子を表す球状部品１７Ａを接続杆１９Ａ、２１Ａで接続していた。また、従来の空間充填模型では、水素原子を表わす半球状部品１１Ｂおよび二重結合を有する炭素原子を表わす三角柱状または丸味を帯びた三角柱状部品１３Ｂを、それぞれ色の異なる不透明なプラスチック材または木材で作り、これらを適当な結合手段（例えば接続杆、磁力結合手段またはスナップ結合手段等）で着脱自在に結合していた。
従って、化学の学習者は、図９の球−棒状模型で原子間距離、原子価角、原子の空間内配置状態等を学習でき、図１０の空間充填模型によって分子の形状、原子の空間充填状態（パッキング）、立体障害等を学習できる（例えば、非特許文献１参照）。

英国ナフィールド財団編「ナフィールド化学」、日本語版、第ＩＶ巻、講談社（昭和４９年３月２０日第２刷発行）、第１９９頁〜第２２８頁

しかしながら、上記従来の分子模型にあっては、分子の構造に忠実であろうとして原子価角や原子間距離の種類を増やし、複雑で使いづらいものとしていた。また、分子構造の学習のためには少なくとも上記２種の球−棒状模型および空間充填型模型が必要であり、かつ生体構成分子のように比較的複雑な分子では、上記２種の模型の対応関係が初学者には多少わかりにくい。また、各模型の組み立ても多少不便であった。

本発明は上記のような従来の課題を解決するものであり、球を種の結晶の原子配列通りに透明容器内に配置することで、この透明容器を単位格子として、この単位格子内の原子配列状態を表現可能にし、以って種々の結晶模型を簡単に形成できるとともに、外部から透視して原子模型を看取ることができ、単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などの把握を容易化することができる分子模型を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明に係る分子模型は、球、１／２球、１／４球および１／８球と、上記各球の１つまたは複数を収納することにより、これらの各球を種の結晶の原子配列通りに配置可能な立方体または直方体の透明容器とを備え、該透明容器を単位格子として該単位格子内の原子配列状態を表現することを特徴とする。

この構成により、予め用意された単位格子図に従って単位格子としての透明容器内に球、１／２球、１／４球および１／８球を必要数だけ所定の位置に配置することで、簡単に種々の結晶模型を形成できるとともに、外部から透視して原子模型を看取ることができる。また、単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などを初学者でも極めて容易に把握することができる。

本発明によれば、種々の結晶模型を簡単に形成できるとともに、外部から透視して原子模型を看取ることができ、また、結晶構造を立体的に表示できるとともに、初学者でも単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などの配位の概念を十分理解することができるようになる。

本発明における透明容器を一部破断して示す正面図。本発明における原子模型を示す斜視図。本発明における原子模型の他の例を示す斜視図。本発明における原子模型の他の例を示す斜視図。本発明における原子模型の他の例を示す斜視図。本発明における原子模型の他の例を示す斜視図。本発明における塩化セシウムの結晶模型の単位格子を示す平面図。図７に示す結晶模型の単位格子の断面図。従来の球−棒状の分子模型を示す平面図。従来の空間充填型分子模型を示す平面図。

以下、本発明の一実施の形態にかかる分子模型を図面を参照しながら説明する。
本実施形態の分子模型は、球、１／２球、１／４球および１／８球と、これらの各球の１つまたは複数を収納することにより、これらの各球を種の結晶の原子配列通りに配置可能な立方体または直方体の透明容器とを備える。この分子模型は、前記透明容器を単位格子として該単位格子内の原子配列状態を表現する。図１は、前記透明容器１１１を示す。この透明容器１１１は、例えばアクリル樹脂などの合成樹脂によって、立方体状や直方体状に成形されている。また、この透明容器１１１は上部に開口部１１１ａを有する。

図２乃至図６は原子模型を示すもので、図２は８分の１球１１２を示し、図３は小球１１３を示し、図４は大球１１４を示し、図５は２分の１球１１５を示し、図６は４分の１球１１６を示したものである。透明容器１１１は合計８個の単位格子により共有されている。このため、１個の単位格子は原子を８分の１だけ有していることになる。従って、１個の単位格子の模型を作るときには、八隅の原子を示すために、８分の１球１１２が使用される。また共有関係を考慮して、１個の単位の稜に存在する原子を表わすために４分の１球１１６が使用され、さらに該格子の表面に存在する原子を示すために２分の１球１１５が使用される。

単位格子の原子配列状態を示す模型を作る場合には、結晶学、物理学、化学、金属学、鉱物学等の教科書、参考書に記載の種々の結晶の単位格子説明図に従って、透明容器１１１を単位格子と考えて、その中に所定の大きさの上記の球１１３、１１４、８分の１球、４分の１球１１２および１１６または２分の１球１１５を必要数入れて、所定の位置に配置する。原子の種類および大きさに応じてこれらの球の色および寸法を変えると便利である。単位格子の１例として、図７、図８に透明容器１１１と原子模型を使用して塩化セシウムの単位格子を示す。

塩化セシウムは分子式ＣｓＣｌと書かれ、Ｃｓ・・・１に対してＣｌ・・・１の割合で結合している。しかし実際の結晶構造は体心立方構造によく似ており、Ｃｓ原子のまわりを八方向からＣｌ原子が取り巻いている構造である。図７、図８は８分の１球１１２と小球１１３とを用いて分子式ＣｓＣｌの立体構造が示されている。ここで八隅の８分の１球１１２はＣｌを、中心の小球１１３はＣｓを示す。また、８分の１球１１２のＣｌ原子模型を組み合わせると１個の球を形成し、中心にある小球１１３Ｃｓの原子模型と１：１の関係となっている。食塩（ＮａＣｌ）、ダイヤモンド（Ｃ）等の結晶構造も、この結晶模型を用いて立体的に表わすことができる。

さらに、実際の結晶では、原子Ａが、Ｎ個の原子Ｂにより囲まれた構造がよく認められる。これをＮ配位と称する。代表的なものは、４配位、６配位、８配位、１２配位であって、この配位状態は原子Ａと原子Ｂとの半径比と密接に関係し、これをこの結晶模型により十分理解できる。すなわち、この透明容器１１１の中に表１に記載の半径比率条件をみたす２種の球を入れて配列すれば、これらの配位の概念が確実に把握できる。

金属結晶構造は、６方最密充填構造、立方最密構造、体心立方構造の３種のいずれかである場合が多い。これらの構造はこの結晶模型を用いて立体的に表現できる。
（ｉ）６方最密充填構造・・・透明容器１１１に赤および青の球を赤、青、赤青と順に６方格子の層ができるように並べる。そして、上からみて赤の層は常に同じ位置に、青の層は、赤とは違った位置で同様の配置で並べられる。
（ｉｉ）立方最密充填構造・・・６方最密充填構造と同じ要領であるが、この場合には赤、青、白の３種の球を使用する。異なった色の球は上からみて異なった位置に、同じ色の球の球は同じ位置に並ぶように配列する。
（ｉｉｉ）体心立方構造・・・透明容器１１１の中に赤（または白）の球の正方格子を作り、その４つの球に接する位置に白（または赤）の球を重ね合わせる。その際、同数の球の構造であれば、この体心立方構造の方が上記の各最密充填構造よりも体積が大きいことが、この結晶模型により直ちに理解できる。

このように、一方開口の透明容器１１１内に原子模型を配置するだけで結晶模型を形成でき、取り扱いが極めて簡単であるばかりでなく、その配置の仕方を自在に変えることができる。このため、種々の結晶模型を表現することができ、透明容器１１１を透視して内部の原子模型を立体的に透視できる。従って、単位格子の説明、４配位、６配位、８配位、１２配位等の説明、原子直径（半径）比率と結晶構造または配位数との関係の説明、立方最密充填構造、６方最密充填構造、体心立方構造等の説明に極めて便利な結晶模型を提供することができる。

以上述べたように、本実施形態では、球１１３、１１４、１／２球１１５、１／４球１１６および１／８球１１２と、上記各球の１つまたは複数を収納することにより、各球を種の結晶の原子配列通りに配置可能な立方体または直方体の透明容器１１１とを備え、この透明容器１１１を単位格子としてこの単位格子内の原子配列状態を表現する分子模型とした。
これにより、種々の結晶模型を簡単に形成できるとともに、外部から透視して原子模型を看取ることができる。また、結晶構造を立体的に表示でき、単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などの配位の概念を初学者でも十分理解できることとなる。

本発明の分子構造は、種々の結晶模型を簡単に形成できるとともに、外部から透視して原子模型を看取ることができ、単位格子や４配位、６配位、８配位、１２配位などの把握を容易化でき、化学教材等として利用するための分子模型等に有用である。

１１１透明容器
１１１ａ開口部
１１２１／８球
１１３、１１４球
１１５１／２球
１１６１／４

Claims

球、１／２球、１／４球および１／８球と、
上記各球の１つまたは複数を収納することにより、これらの各球を種の結晶の原子配列通りに配置可能な立方体または直方体の透明容器と、を備え、
該透明容器を単位格子として該単位格子内の原子配列状態を表現することを特徴とする分子模型。