理科教育コミュの水の結合角度と氷の結合角度

　教えて欲しいことがあります。中１の状態変化の授業で、「なぜ水だけが液体→固体になると、体積が増えるのか？」の説明で、水分子の結合角度の話をしました。

　あらためて、インターネットで調べてみると、「水分子における水素-酸素-水素の結合角度は１０４°３１’であり、氷における水素-酸素-水素の結合角度は１０９°２８’である」という論文にあたりました。

水の分子とその性質（原文は英語）
http://translate.google.co.jp/translate?hl=ja&sl=en&tl=ja&u=http://www.aquadyntech.com/watermolecule.html

　その水の結合角度と氷の結合角度の図は写真１の通りです。

　　私はこの違いについて勉強したことがなく、水分子における水素-酸素-水素の結合角度は１０９°であるぐらいしか知りませんでした。この角度は氷における結合角度であって、水においては違うのでしょうか？これは最新科学の成果なのでしょうか？

　あと、１０４°３１’とは、１０４＋３１／６０＝１０４．５°と理解していいのでしょうか？同様に、１０９°２８’も１０９＋２８／６０＝１０９．５°と理解していいのでしょうか？

コメント(19)

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[1] mixiユーザー 02月26日 06:25

　水分子の水素ー酸素ー水素の結合角度が、液体状態と固体（結晶）状態で違うこと、そして、それがいつ頃、誰の手によって、どんな研究の結果わかったのか？お知りの方は是非、教えて下さい。また、参考文献もあれば、是非、読みたいと思います。

　よろしくお願いします。

[2] mixiユーザー 02月27日 00:23

私も知らないのですが、結合角は量子力学から導かれているはずなので、そのあたりの歴史を調べられたらいいかと思います。

領域としては化学になると思うので、たとえばこのへんに質問されてもいいのではないでしょうか。
http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=44431940&comment_count=470&comm_id=5340

[3] mixiユーザー 02月27日 06:06

カリキュラムとかよくわからないんですけど､中1にそんな難しいことを教えるんですか??
大学でならった時は､水分子は分子間で水素結合してて､氷の時に確か六角形だかなんだかの結晶構造をとるから隙間ができてかさばるみたいに習ったと思います

逆に水の時は分子間の結晶は弱くHｰOｰHが隙間隙間に入ってくから体積が小さくなります｡

[6] mixiユーザー 02月27日 06:15

質問内容とは違っちゃった気がしますが､結晶構造と結合角度って関係が高いと思うのでよかったら調べてみてください｡

[7] mixiユーザー 02月27日 07:29

＞じゅんじゅんさん

　ありがとうございます。『化学の道』よさそうですね。さっそく、そちらにも投稿させていただこうと思います。

[8] mixiユーザー 02月27日 07:35

☆MIKI☆さん

　カリキュラムにはありません。ただ、すべての物質の中で唯一、水だけが、液体→固体になると体積が大きくなる、というのを単に、実験結果として暗記するだけではなく、「なぜそうなるか？」ということを教えたくて、結晶構造と結晶角度から説明しただけです。

　以前勉強した記憶では、水素ー酸素ー水素の結合角度が１０９°だったと思っていました。しかし、あらためて確認したところ、上記のような論文につきあたったという次第。

　この話を生徒にしたとき、やはり、生徒は深く考えているようでした。

[9] mixiユーザー 02月27日 08:51

大まかに言えば、水よりも氷の体積が大きいのは結晶構造にすきまがあるからで、結合角は体積とは直接関係ない（結合角の違いを出さなくても説明できる）と思います。

氷の場合結合角は幾何学的に決まる（正四面体の形で結合ができる）ので、氷の構造が（おそらくＸ線回析などで）確認されれば、結合角は自動的に計算で求められます。
水の場合はもう少し複雑で、ｓｐ３混成軌道の４対の電子対のうち２対が水素原子との共有結合に関わり、他の２対の非共有電子対はお互いに反発するので、この反発力の分だけ氷のときよりも結合角が小さくなると考えることもできます。
（正確には分子全体の電子軌道を考えなければならない）

子ども向けの本ですが、「もしも原子が見えたなら」(板倉聖宣著、仮説社)
という本の中に、水と氷の分子モデルが出ていて、それを見ると氷の方がすきまがあって体積が大きいということがよくわかります。私はこの本のコピーを生徒に配って説明しています。

ちょっとニュアンスが違いますが、自分のＨＰにマンガを載せてあります。
http://firefly26.hp.infoseek.co.jp/manga/rika/zyoutai_fig001.gif

[10] mixiユーザー 02月27日 09:30

｢結晶が弱く…｣→｢結合が弱く…｣の間違いです

> じゅんじゅんさん
なるほど

正四面体だったんですね

だいぶ適当過ぎてごめんなさい

[11] mixiユーザー 02月28日 05:04

＞じゅんじゅんさん

　じゅんじゅんさんのＨＰのマンガすごくわかりやすい。これ、ぜひ、授業で使わせていただけませんか。出典も書かせていただきます。

　『もしも原子が見えたなら』。ずいぶん、昔に見た覚えがあります。もう一回、読み直してみます。

＞大まかに言えば、水よりも氷の体積が大きいのは結晶構造にすきまがあるからで、結合角は体積とは直接関係ない（結合角の違いを出さなくても説明できる）と思います。

　僕は結合角の違いを説明したいのではなくて、できるだけ最新の化学の成果を子どもたちに伝えたいと思っている、というのがまず第一です。そして、「水よりも氷の体積が大きいのは結晶構造にすきまがあるから」というのは、正しい説明とは言えません。水分子のＨＯＨの結合角度と水素結合があるからこそ、すきまのある結晶構造ができる、と説明できます。

　子どもたちの「なぜ？」「なぜ？」に答えていくと、水分子のＨＯＨの結合角度にたどりついてしまった、という次第です。

　頭の中にすとんと落ちるような説明をしようと思うと、水分子のＨＯＨの結合角度から入るのがいいかな、と思っています（そんな流れで授業をやりました）。

[12] mixiユーザー 02月28日 06:08

＞じゅんじゅんさん
＞☆MIKI☆さん

　昨日、岡山大学大学院自然研究科の田中秀樹先生からもメールでお返事をいただきました。水、氷の分子の運動をコンピューターシュミレーションで研究されている方です。

　氷の結晶は、水分子が正四面体の形に結晶ができる、という単純なものではないようです。

　田中先生によると、氷にはこれまで知られているだけで１２種類以上の形があるようです（写真１　田中秀樹先生作成）。温度と圧力によって、氷の結晶構造は違うものになるようです。

　また、大気圧下でも、六方晶氷（Ｉｃ）と立方晶氷（Ｉｈ）というのがあるそうです（写真２　田中秀樹先生作成）。六方晶氷は、通常のでき方の氷で、立方晶氷の方は、例えばノズルから水を噴出させたときの断熱膨張による冷却によってできる氷だそうです。

　さらに、コンピューターシュミレーションで、２５℃における１気圧の実験による密度（０．９９７ｇ／ｃｍ３）に、さまざまな外部条件を設定し、２１６個の水を１０ピコ（１ピコ＝１０の－１２乗）秒程度、動かしたときの解析結果が写真３（田中秀樹先生作成）だそうです。たいへん面白い資料をいただきました。

[13] mixiユーザー 03月01日 01:05

>11 しんちゃんさん

ずいぶん勉強されているようで敬服します。

>「水よりも氷の体積が大きいのは結晶構造にすきまがあるから」というのは、正しい説明とは言えません。水分子のＨＯＨの結合角度と水素結合があるからこそ、すきまのある結晶構造ができる、と説明できます。

ここはよくわからないのですが、流れとしては

・水分子は特定の結合角と水素結合を持つ
　　↓
・結晶構造にすきまができる
　　↓
・液体より固体の方が体積が大きくなる

ということになるので、どちらが正しいとかではなくて、両方の説明が必要だと言うことだと思うのですが、どうでしょうか。

私はしんちゃんさんと中１の生徒が、どうやって水分子の結合角までたどりつくようなやりとりをされたのか、とても興味があります。どのような流れで説明されたのか、教えていただけると幸いです。

[14] mixiユーザー 03月01日 23:29

＞じゅんじゅんさん

　この水の結晶構造（氷のこと）の理解のためには、水分子の結合角の理解が前提だと思うのです。二酸化炭素のようにO-C-Oと１８０°の角度でつながっていては、決して、コメント１２の写真３のような氷の構造ができることはない、と思うのです。

　生徒には水は二酸化炭素のように一直線に結びついているのではなく、１０９°の角度でH-O-Hで結合しているのです、とまず、説明。

　その上で、氷の結晶構造を単純化して板書。本当は６角形なのですが、三角形の連続に書き表し、その構造のすきまに黄色いチョークで印をつけていきました。

　そして、その横に水（液体）の構造を板書。

　適当に書いたし、計算もしていないので、お見せするほどのものではありませんが、一応写真は撮ってあったので、ご紹介します（あんまり笑わないで下さいね）。

　

[15] mixiユーザー 03月02日 04:17

ご説明ありがとうございます。

氷の構造については、平面的にかくとどうしても120°のイメージがあるので、立体的に見せたいように思います。市販の模型とか、発泡スチロールで自作するとか、いくつか方法があります；

http://mall.cau1.com/t/gariben/item2900377.html
http://hwm2.gyao.ne.jp/asakurase/mol/mol.html

模型で見せることは「すきまができること」「六角形に見えること」「本当は120°ではないこと」を示すためには有効です。私も発泡スチロールの模型（小さいものですが）で見せます。

これらのことを中１に教えるためには、原子や分子についてある程度の概念を持っている必要があります。中１の教科書に状態変化のモデル図が載っていないのは、原子や分子について学ぶのが中２だからです。
これはカリキュラム設定のミスとも考えられる問題で、だから中１から原子・分子について教えている先生もおられるようです。

私は塾で教えるときには半分ごまかしで（水の粒はこういう形をしているんだ、くらいで）説明しますが、そのためによくわからないと言う生徒もいます。時間があれば原子・分子からきちんとやった方がいいのはわかっているのですが、難しいところです。

結合角の理屈は現在は高校でもやらないので、生徒が「なぜ二酸化炭素はまっすぐで水は曲がっているのか？」と聞いてきたときにどう説明するのかが問題になります。ＨＧＳ分子模型などがあると、本当の理屈は説明できなくても、原子の手の位置関係から分子の形（結合角）までイメージすることができるので便利です（ここで非共有電子対まで説明すれば、水分子の104°も一応理解できます）。

http://pub.maruzen.co.jp/cd_others/hgs/index.html

以前勤めていた私立中学では、この模型を使って生徒に分子を組み立てさせていました。水素結合ができないので氷はつくれませんが、分子の立体構造を理解させるには非常によい教材だと思います。

[16] mixiユーザー 03月02日 04:34

マンガについては、ご自由にお使いください。別に出典出さなくていいですよ。
お役に立つならうれしいです。

[17] mixiユーザー 03月06日 23:51

＞じゅんじゅんさん

　亀レスになってすみません。ここのところ、風邪気味で、夜朝、パソコンを控えていたものですから（後、保護者とのクレーム対応、毎日１～２時間）。１２時前に寝ていました。

　さて、言い訳はこれくらいにして、マンガ使わせていただきます。ただし、加工してもいいですか。

　僕がちょっと手を入れたところは、ふきだしの「水分子はぼくら水素原子と」「わたし酸素原子からできています」のところを、「ぼくらは水素原子です」「わたしは酸素原子」としたいのです。そして、題名に「水分子の自己紹介」としたいと思います。

　あと、氷の水分子は１３個であるのに、水の水分子は１５個ですよね。これも同じ数にしたい。水蒸気のところはどうしようなかなぁ、と思っています。

＞コメント１４
の写真でも、僕のこだわりは分子の数と体積の大きさです。

[18] mixiユーザー 03月07日 00:36

＞じゅんじゅんさん

　コメント１５について

　現在の教科書（新学習指導要領）では、状態変化のモデル図は載っていますよ。今回の改訂で教えることになりました。

　ただし、僕は、いつも、教えています。そのために、状態変化のモデル図が載っている、理科資料集を購入させています。

　原子・分子のていねいな説明はいらないでしょう。粒概念でも十分理解できます。

　あと、本当に私見ですが、実体に近い分子モデルを子どもたちに提示することが子どもたちの理解を助けることになるか、どうかは検討すべきだと思います。

　黒板とチョークだけでも結構、立体的なイメージはできるものです。僕は、あえてここでは発砲スチロール等の分子モデルは見せません。ずっと後で、原子・分子を勉強し終わった後に、発展学習でやればちょうどいいのかな、と感じています。

　分子モデルのご紹介ありがとうございました。

　僕が作った、分子モデル（ケント紙と板マグネットで作ったもの）も紹介しようと思ったのですが、あらためて探してみたら、写真がありませんでした。中２で学習する２０弱の化学変化が全部説明できるように、原子の種類が１１種類、１班に配るモデルの数が８０個になります（写真１）。

　これを９班分作り、教師用（２倍の大きさ）１セット。計８０×１０セット＝８００個。

　ホワイトボードに「反応前」「反応後」のモデルを貼らせて、数の過不足を考えさせるというもの（写真２がその表示と線です）。

　実際のモデルの比率はファンデルワールス半径の比に合わせて決めました。色はピーター・W・アトキンスの「分子と人間」（東京化学同人）を基本に決めました(写真３）。

　いつか、授業風景の写真を探して載っけておきます。

[19] mixiユーザー 04月12日 21:34

本日このコミュニティに参加した理学部の学生です。

すごく面白いトピックだったのでコメントさせて頂きます。

氷より水の方が重さあたりの体積が大きい。ということは、氷の密度より水の密度が大きいということです。

これは水に氷が浮くことから明らかです。

そこで、こんな実験をしてみてはどうでしょう。
実験１
操作
?三角フラスコに油を半分まで注ぐ
?さらに水を注ぐ
?蓋をしてよくふり混ぜ、しばらく待つ
結果
密度に従い、水が下層、油が上層に分離する。

ここで、この分離が密度の違いによって起こったこと。水と油が交じりあわないことを説明。

実験２
操作
?先程の二層分離した溶液をビーカーに移す
?氷を加える

結果
氷は、水と油の境界に浮く。

実験１で、密度が小さい物質ほど上にいく、ということを十分に教えれば、理屈はともかく、
Ｈ2Ｏの密度が
固体>液体
であることを実感できるはずである。

こんな実験を考えたのですがいかがでしょう？

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