無機元素化学
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無機元素化学. 無機化合物の構造と特性 との関係を理解する. 積層コンデンサ. 同じサイズで大容量化が可能. 構造の概要. 単層の場合. 積層コンデンサ. p.2 の(1)式 C =A  S / t. 積層コンデンサの断面図 単層コンデンサの断面図. 電極面積: S 1層の厚さ: t. 電極面積: S 厚さ:5 t. 問題: 電極面積が S(m 2 )、 単板の厚さが5 t(m) である場合の単層コンデンサの容量が C(F) であるとする。この時、同じ材料を用いて作製した積層コンデンサ(5層)の容量( F) は?.

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無機元素化学

無機化合物の構造と特性

との関係を理解する


積層コンデンサ

  • 同じサイズで大容量化が可能

構造の概要


単層の場合

積層コンデンサ

p.2の(1)式C=AS/t

  • 積層コンデンサの断面図

  • 単層コンデンサの断面図

電極面積:S

1層の厚さ:t

電極面積:S

厚さ:5 t

問題:

電極面積がS(m2)、単板の厚さが5t(m)である場合の単層コンデンサの容量がC(F)であるとする。この時、同じ材料を用いて作製した積層コンデンサ(5層)の容量(F)は?


主なセラミックス(固体の無機化合物)

  • Al2O3(基板)

  • TiO2(光触媒)

  • SiO2(ガラス)

  • SnO2(透明電極)

        ・

        ・

        ・


結晶構造(復習)

問1 立方体を描き、立方最密構造と体心立方構造に おける格子点を記しなさい。

問2 問1における2種類の立方体の大きさを比べな  さい。

問3 問1における2種類の構造の充填率を求めなさ  い。


101)面

(100)面

(211)面

ミラー指数の意味と表し方

  • 3次元に広がる結晶中の平面を表す


状態図

全域固溶体型状態図

B’

L

L+S

固溶体:

A’

化学組成が変化しても、結晶構造が元のまま保たれている固相

S

A

X

B

A


欠陥構造

不定比化合物

  • NiO(Ni1-O)          一部のNiが欠損

  • ZnO(Zn1+O) ただし、0格子間にZnが存在

    定比化合物

  • MgO 

  • Al2O3

  • フレンケル欠陥とショットキー欠陥





Kroger vink notation
欠陥の表記法(Kroger-Vink notation)

¨

  • 電子、正孔:e-、h・

  • 空孔:V

  • 格子間位置:i

  • 不純物原子(イオン):M

A:原子記号

a

a: 相対価電子数       (通常状態からの変位)

A

b

b:位置


欠陥表記の練習

  • 塩化ナトリウムのNaイオン、およびClイオン

  • 塩化ナトリウムのNa位置に入っているKイオン

  • 塩化ナトリウム中に生成するショトキー欠陥

  • 塩化ナトリウム中に生成するフレンケル欠陥

  • NiOのNi位置にあるLi

  • NiOのNi位置にNiがない欠陥


欠陥表記の考え方

  • NiOは酸素過剰:Ni1-δO or NiO1+δこの表記の意味は同じ?

  • ZnOは酸素不足:Zn1+δO or ZnO1-δこの場合は?

  • いずれも非化学量論組成          (しかし)電荷の総和はゼロ


格子欠陥

体積欠陥       (空孔、粒界など)

  • 点欠陥

    • 空孔

    • 格子間原子(イオン)

    • 不純物原子(イオン)

  • 点欠陥の例

    • ショットキー欠陥

    • フレンケル欠陥

  • 化学量論組成と非化学量論組成

面欠陥

線欠陥


転移(固相の相転移)

  • 温度の上昇につれて結晶構造が変化

    ・SiO2の例:

      石英(α石英)またはトリジマイト型構造

    ↓(温度上昇)

               β石英

    変移型転移: α石英→(容易)β石英

    再編型転移: α石英→(困難)トリジマイト


固溶体の種類

  • 置換型固溶体と侵入型固溶体

課題 侵入型固溶体のひとつである水素吸蔵合金(または水素貯蔵合金)について、その代表的化合物からその用途について調べなさい。


固溶体の格子定数

  • ベガード則 NiO-MgO系固溶体化合物の格子定数は、組成と同様、端成分のそれらと直線的な関係にある。

問題 NiOとMgOは共にNaClと同様の結晶構造である。それぞれの化合物の格子定数を求めなさい。また、Ni1/4Mg3/4O、 Ni1/2Mg1/2O、 およびNi3/4Mg1/4Oなる組成式で表される化合物の格子定数を求めなさい。


結晶構造1

  • 配位数(陽イオンの周りの陰イオンの数)

問 イオン結晶における配位数は、4、6、8などと様々  である。このように配位数が異なる理由を推察し  なさい。

     (ヒント:イオンの大きさを考える)


結晶構造2

  • ペロブスカイト型化合物

問1 2種類のイオンの結合強度を求めなさい。また、これら  の結合強度と酸素イオンの価数との関係を述べなさい。

問2 立方晶ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物(例  えば、BaTiO3)において、2種類の陽イオンと酸素イオン  との間になりたつ関係式を導き出しなさい。


問1の解答

黄色(B)の周りには酸素イオンが6個

結合強度:+4/6

青色(A)の周りには酸素イオンが12個    結合強度:+2/12

  • 結合強度について考える

赤の陰イオンの周りには、青が4個、黄色が2個

結合強度が+2/12の青が4個

結合強度が+4/6の黄色が2個

8/12 + 8/6 = 2

酸素の価数


面の対角線の長さ: 2

中心を通る対角線の長さ: 3

白線の長さ/赤線の長さ= 2/1

問2の解答

  • 2 ( rB + rO ) = rA + rOを導く

立方体の1辺の長さ:1

赤線の長さ: 2(rB + rO )

白線の長さ: 2(rA + rO )


結晶構造3

  • スピネル型化合物

      (教科書p. 29の図1.26から、スピネル構造中の配位について理解する)

問 スピネル型構造を有する金属酸化物(例えば、       ZnFe2O4)の単位格子中に存在する2種類の陽イオン    と酸素イオンの数を求めなさい。

問 逆スピネル型が多い理由を考察しなさい。


結晶構造4

  • ダイヤモンド型構造化合物               (単成分からなる物質もある)

問1 ダイヤモンドの単位格子中に存在する炭素原子の数  を求めなさい。

問2 炭素原子の半径が1であるとして、単位格子1辺の長  さを求めなさい。

問3 ダイヤモンド結晶の空間占有率(約35%)を求めなさい。

問4 教科書の記述から、炭素原子の大きさ(nm)を求めな  さい。

問5 ダイヤモンド単位格子の1辺の長さを求め、実際の値  と比べなさい。(文献値:0.3567nm)


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