破壊された物質の被破壊面の原子の結合状態

質問

小学生の娘に、金属を引きちぎったり、木材を割ったりしたら、破断面の物質は微小なレベルでどうなっているのか聞かれました。私の稚拙な知識で（高校化学レベル（＾＾；；）、物質はイオン結合、共有結合、金属結合などがあって。。。。と、しどろもどろな説明はしたものの、実際頭でイメージできません。電子の状態？？もしくは結合状態はどうなっているのでしょうか？また、どんな風に説明すれば良いでしょうか？また、レーザーで焼き切った時はどうでしょうか？最近科学に興味があるようで、うまく説明してあげたいのですが。。よろしくお願いします。

回答No.1

tsukachan · ベストアンサー

人間の細胞が原子、体自体を分子と例えてみましょう

手をつないだ状態で、力が加わればまず手を離しますよね？
体や細胞はちぎれませんよね？

引きちぎる・割るはつないだ手を離した状態ですね
モノの性質などは変わらないです。

分子を物理的な力で引きはがすには膨大な力が必要ですし、原子なら尚更です。小学生レベルで有ればこれらはまず「力」で壊すのは不可能だと説明してあげた方が良いかも（不可能では無いのですがｗ）

結合する力のスケールが大きく違う為分子がちぎれる・原子がちぎれると言う事は無いと思っておいた方が良いでしょう

お礼

ありがとうございます。いまいちピントこないのですが（＾＾；；すみません。分子と分子は最初どのようにつながっていて、「手」が外れたときは、破断面はどんな様子なのでしょうか？？結合する力とはどんなものなのでしょうか？教えて下さい。よろしくお願いします。

回答No.5

sekisei

＞イメージが掴み易い説明はないものでしょうか？

確かにイメージするのって難しいですよね＾＾；

手っ取り早いのは人間に例えることでしょうか。
一人一人が原子、で電子の代わりに道具で考えます。
学校の工作の時間で8種類の道具を使う場合とします。
ですが、皆全種類は持っておらず何種類かの道具は持っていません。
この持っていない道具の種類数は原子によって決まっていますがクラス全体ではちゃんと全種類の道具が揃うとします。

・金属結合
金属になる原子を人に例えるとあんまり自分の道具を自分のものだという意識が少なくて誰か別の人が借りても全く気にしない人のようなものです。
このような人たちだとお互い持っている道具を持ち寄って工作の時間に作業します。
皆の道具を皆で共有しています。

・水、酸素などの分子（共有結合）
この場合を人に例えると、自分が持っている道具は自分の目の届く範囲においておきたい人たちに例えられます。
そのためこういう人たちは自分に足りない道具を持った人とペアなどのグループを作って作業することになります。

・イオン結合
塩素などの元素を人に例えると独占欲の強い人になります。
こういう人は自分の持っていない道具を人から借りて、使用する間は借りたものでも自分専用にしたがる人たちです。
こういう人から道具を借りられてしまった人のうち割合相手を信用してくれる人は借りた人が自分のそばにいなくても気にならない人に例えられます。

・さび
これも共有結合ですが・・。
金属結合している人たちでできたクラスに先ほどの塩素のような人が着てしまうようなものです。
さらに借りられた人が借りた相手が離れるのを嫌う、つまり借りられた自分の道具が目の届く範囲から離れるのを嫌う人がいます。
この場合は、借りた相手と借りられた人が常に一緒にいることになります。

・・・・書いたものの判りにくいような気がしてきました・・。

回答No.4

sekisei

こんばんは。

そうです。酸素と結合すれば金属は錆びになったといえます。
ただ色々な金属があるのでそれぞれ具体的な状況は変わってきます。
鉄などは赤錆が生じる場合はどんどん進行していきます。
推測ですが、その表面では鉄原子に酸素が結合していき金属結合から引き剥がされ浮き上がり、さらにその奥の鉄原子が酸素と結合していく現象がどんどん起こっているものと思います。
でも鉄には赤錆のほかに黒さびなどあって黒さびはあまり錆びが進行しません。
アルミやステンレスも同じような感じで表面の金属原子が酸素と結びついても強固な層を作ってそれ以上酸化が進まなくなっています。
金などは酸化されにくいため表面には大気中の水分子や窒素、酸素などが吸着している程度なのだと思います。

植物の細胞同士の接合は知らないので推測なのですが、分子間力と摩擦では無いかと思います。
摩擦と書いたのは植物の繊維が絡み合っていることから予想してます。
（植物の話しについては全くの推測ですのでご注意ください）

ボンドですが、これは分子間力とボンドの固化だと思います。
分子間力はそのままですが、固化の方は以下のような理由で接着力を発生させると思います。
ボンドなどは2つの物体の接触面の間に塗って使います。
そして2つの物体表面の目ではぱっと見判らないでこぼこの間に流れこみ固まります。
何も無ければ2つの物体間には空気が侵入して離れていくことができますが、しっかり侵入して固まるとそれができませんから離れられなくなります。

また、ボンドにはもう一種類あって接着した両者を溶かして化学結合で接着するものもあります。

お礼

ありがとうございます。小さい子に全てのものは原子からできていて、原子核というものの周りを電子がくるくるまわっているんだよ。と、説明しても、実際見ている物体と、原子、分子モデルのギャップが大きすぎてとても同一のものと思えないようです。私もそう。（；；なのですが。。イメージが掴み易い説明はないものでしょうか？

回答No.3

sekisei

凄い娘さんですね・・・。小学生でもうそんな発想をされるとは・・。

金属は基本的には金属結合ですが、表面は概ね酸化膜があります。
電子顕微鏡などで分析すると大抵酸素や人の手から付いた油などを由来とする炭素などが検出されます。

ですから、金属を引きちぎると瞬間は金属結合している状態の金属原子が露出しているのでしょうが、すぐに大気中のいろんな分子が吸着すると思います。

その後徐々に酸素が金属と結合し酸化膜が覆っていくでしょう。

参考ですが、私が大学の時シリコン表面へ金属を堆積させる実験を行っていましたが、必ず実験前にはシリコンの表面にある酸化膜を除去するためにフッ化水素で洗浄していました。

木材の方は原子分子というレベルではなく細胞や繊維というレベルでしょう。
繊維や細胞が引き裂けているものと思います。

お礼

ありがとうございます。物質は酸化しますものね。酸素と金属が結合すると、錆びになるんでしょうか？木材の細胞と細胞、もしくは繊維と繊維はどうやって結びついているのでしょうか？ボンドのようなものですか？そもそもボンドって何故ひっつくんでしょうか？科学反応？？？そのときの分子（原子）の様子はどうなっているのでしょうか？教えてください。お願いします。

回答No.2

noname#26663

水をコップ２個に分けても水の分子は壊れません。
原子は壊れません。

金属は、電子同士が手をつないでるので、ぶっ叩くと、違う電子と手をつなぐんで凹んじゃうんです。（曲がるのもおんなじ）＾＾

ぶちっ！
こう切ると、今度はお隣さんと仕方ないので手をつなぎます。
断面は地割れみたいになります。＾＿＾；

木材は、繊維で強度を保っています。
細かい繊維がブチブチっと切れます。＾＾；

トゲがささったら、繊維です。
これの長い繊維が集まっているんです。

レーザーで焼き切った時は
溶かしているのですが、レーザーエリア内だけが溶けます。
（光エネルギーは直進する。外には行かない）

その為、断面は一度解けて固まるので表面に近い滑らかさになります。

お礼

ありがとうございます。違う電子と手をつなぐわけですか。。。ずいぶん分かり易くなってきました！娘も私も分子や原子の結合モデルが抽象的すぎてあまりイメージできていませんでした。分子モデルはなんだか棒に玉がささったみたいだし、原子同士は電子が同心円状にぐるぐる回っている絵がでてくるし。。金属の場合、お隣じゃない違う電子ってどんなものですか？また、レーザーで溶けたところも電子は何かと手をつなぐのですか？教えてくださいよろしくお願いします。