金属の化合物の導電性は何で決まる？

質問

初めまして。電気系エンジニアを生業としている者です。
世の中にはいろんな金属の化合物(例えば、銅だと、酸化銅、硫化銅、塩化銅など）が
存在しますが、これらが導電性を有するかどうかというのは、何で決まってくるので
しょうか？
またそれは、簡単に判断が付くのでしょうか？（例えば、周期表を見れば判るとか）
ご存知の方、教えて下さい。よろしくお願い致します。

回答No.6

kenojisan · ベストアンサー

結論から言うと、#3の回答者さんのおっしゃる、調べてみないと分からないです。
まず、イオン性結晶の物質は、結晶内部で＋イオン状態の原子と－イオン状態の原子が存在し、外殻電子が－イオンに局在するので自由に動ける電子が無くなり、絶縁性が高い場合が多いです。結合の強さとは直接は関係有りません。しかし、CuO以外にもCrO2、Fe3O4など例外も多く。また、理想結晶なら絶縁性でも、酸素欠陥などが有るとその分が伝導電子に寄与するため、NiOなどはかなり導電性が出ます。#5の回答に有るようなイオン伝導の可能性も出てきますし。
質問者さんの場合など、材料表面の自然に生成した化合物のようなので、理想的な化合物特性からはかなりすれている可能性も高いです。
導電性の物理的なメカニズムは#5の回答どおりなのですが、バンド構造自体が導電性以上に調べるのが難しい情報（計算でも出ますが、信頼性が低いのと、絶対零度での結果になります）ですから、実用材料評価には使いにくいですね。
従って、現実的な判断方法は、予想される生成物を考えて、材料系のハンドブックや辞典類などで導電性を調べることでしょうね。

お礼

ご回答ありがとうございます。
周期表を見てあれこれ考えるより、化合物そのものの特性を調べた方が良いという事ですね。
今回、数名の方に戴いた回答で、かつて化学で学んだ時の記憶が、少し蘇ってきましたので、この機会におさらいしつつ、化合物の特性についても調べてみたいと思います。
ご回答戴いた皆様、ありがとうございました。

回答No.5

phy0

基本的には荷電子帯から伝導帯への電子の移りやすさによって決まってきます。バンドギャップ（禁制帯）のエネルギーが小さければ半導体ですし、大きければ絶縁体となります。

化合物によってこの禁制帯の幅の広さが異なるため導電率に違いが生じます。温度が上昇すると熱エネルギーで元気になった荷電子帯の電子が伝導体にジャンプしやすくなるので導電率はあがります。

基本的には電子の動きやすさで導電率は決まりますが、燃料電池の材料のようにイオン（リチウムイオンや酸素イオン）が動くことによって電荷が運ばれるものもあります。

金属表面の酸化膜は厚さによって導電率に影響します。ステンレス鉄は表面にクロム酸化物が作られるためさびにくく（電気化学反応が鈍く）なりますが、導電率は金属レベルです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
「禁制帯」、高校時代に聞いた懐かしい言葉です。
イメージは出来ましたが、すっかり記憶が飛んでいますので、この機会に勉強し直してみようと思います。

回答No.4

kovalin

No2についてです。
＞電気陰性度高＝金属原子との結合が強固＝余った電子無し＝絶縁性、考えれば良いのでしょうか？
はい、そういうイメージでいいと思います。
周期表から判断するという意味合いで、あえて電気陰性度という(おそらく化学の)言葉を持ち出してみました。

＞酸化（０）、塩化（Ｃｌ）、硫化（Ｓ）の何れも、周期表の右上にあり、電気陰性度は高い為、どの化合物も導電性は無いという事になるのでしょうか？
そうです。
基本的に金属-非金属からなる結晶(イオン結晶)は絶縁体であると思います。
が、No3さんの指摘するようにCu2Oのような例外もあるようですね・・・。

お礼

ありがとうございます。
調べてみたところ、導電性繊維というものには、ポリエステルやアクリルに、硫化銅を化学結合させたタイプがあるようです。ポリエステルと化合させる事により導電性が得られる訳ではないと思いますので、硫化銅は導電性が有るという事の様です。
何だか混乱して来ました。

回答No.3

Tacosan

う～ん, 究極的には「調べてみないとわからない」ってことになるかと....
CuO (酸化銅(II)) は多分絶縁体だと思いますが, Cu2O (酸化銅(I)) は半導体ですし.
あと, 卑怯ですが温度に依存する側面もありますね. 酸化物超伝導体なんてありますし.

お礼

ご回答ありがとうございます。
CuOは絶縁体で、 Cu2Oは半導体なんですか。そうなると、簡単に判断するのは難しそうですね・・・。
私が想定しているのは、気温程度の温度ですので、極端な特性の変化は無いと思っていますが、考慮に入れた方が良いのでしょうね。

回答No.2

kovalin

簡単な判断材料を挙げるとすれば、金属化合物の場合、金属の相手になる原子の電気陰性度を考えればいいと思います。
電子が電気陰性度の大きい原子に拘束され、自由を失うからです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
”電気陰性度”という言葉を知らなかったので、調べてみたところ「電子を引き付ける力」と書かれていました。
電気陰性度高＝金属原子との結合が強固＝余った電子無し＝絶縁性、考えれば良いのでしょうか？
酸化（０）、塩化（Ｃｌ）、硫化（Ｓ）の何れも、周期表の右上にあり、電気陰性度は高い為、どの化合物も導電性は無いという事になるのでしょうか？

回答No.1

p-tenshi

電気が流れるのは電子の移動ですから
金属電子を含む量(密度）で導電性が変わるのでは？

お礼

回答ありがとうございます。
質問をもう少し具体的に書いた方が良かったかもしれません。
質問の意図は、コネクタの端子の様な金属の表面が、外気などにより化学反応して化合物が生成された場合、接触不良になるのかどうかという事を知りたいです。
例えば、銅100％の板同士を接触させる場合、表面に酸化銅や硫化銅がびっしりついていると、両者は導通するのか否か・・・という事が知りたいです。
ですので、密度だけで判断は出来ないと考えています。