物質の透明性や色合いは、化学式からわかるのでしょうか。

質問

◆中高生レベルでの、定性的な解説をお願いします。
◆酸素や石英は、程度の差はあれ透明です。鉄は不透明で、本来の色合いは銀白色だといわれています。
◆人体の筋肉は、ごく薄く切った場合は別として不透明ですが、目の水晶体は結構な厚みがあるのに透明です。
◆このような光学的性質の違いは、物質の化学式などからわかるものなのでしょうか。
◆元素の周期性からゲルマニウムという物質の存在を予測したメンデレエフは、色合いも含めた物性をほぼ正しく予見していたといわれています。このことから、化学式など理論的な面から、ある物質が透明かどうかが判るのではないかと想像しています。
◆もしそうだとすれば、どのような特徴あれば透明性だと判断できるのでしょうか。

回答No.1

apple-man · ベストアンサー

>◆このような光学的性質の違いは、物質の化学式などからわかるものなのでしょうか。

化学式からは分かりません。炭素の結晶に
透明はダイヤと黒いグラファイトがあるのを
思い出して頂ければ、同じ元素でも透明度や
色に違いがあるのが分かると思います。

＞◆元素の周期性からゲルマニウムという物質の存在を予測したメンデレエフは、色合いも含めた物性をほぼ正しく予見していたといわれています。

　周期表の意味するところの１つに、電子配置があります。
　透明度とか色というのは電子の状態によって決まります。

　ですから元素単体については、周期表の傾向からある程度
予想がつくわけですが、化合物となるとそう単純には
いかない場合があります。

（ここは少し中高校生のレベルを超えてしまうと
思いますが）大学でやる物性理論、固体物性、固体化学
というような科目でやる、バンド理論というものである程度説明がつく場合もありますが、電子の理論そのものが
完全でないため、経験則、実験データなしに全く理論的に
求める方法は確立していません。

　例として
http://ch.ce.nihon-u.ac.jp/nishide/kougi/kotai.htm
にある、
2.ITOが可視域で透明な理由を、バンド理論を用いて説明せよ。

　というような問題があったりします。

参考URL：

http://ch.ce.nihon-u.ac.jp/nishide/kougi/kotai.htm

お礼

早速のご回答ありがとうございました。ダイヤモンドとグラファイトの例で、ハッと気がつきました。単純にいうと「透明性とか色合いは、実物でしか（確定的には）判らない」というこですね。よく理解できました。バンド理論のサイトも見てみました。理論的には難解なものですね。お礼が遅れて申し訳ありませんでした。

回答No.3

ticky

専門家ではないので、信用してほしくはないのですが、固体で透明であるかどうかというのは、結晶構造が重要だと思います。

さらに可視光に対して透明かどうかというのは、電子軌道によると思います。

例えば、石英やダイヤモンドは、構成する元素同士が結びついて大きな結晶になっています。
逆に、ガラスや、多くの透明な樹脂は、結晶ではなく、非晶質になっていたかと思います。
透明になるのは、こういう例だと思います。

そうではなく、様々な大きさの結晶が混じっていたり、多くの不純物が入っていたりすると、透明ではなくなると思います。
そう考えると、元素の種類や、化学式だけでは、どうとも言い難いと思います。

お礼

ご回答ありがとうございました。#1, #2の方のご回答も踏まえると、「透明性や色合い」はかなり高度の知識にかかわるものだと、よくわかりました。化学式や構造式から、すぐわかるものではないかと思っておりましたが、そうではないのですね。お礼が遅れて申し訳ありませんでした。

回答No.2

lupinletrois

化学式といっても構造がわかる式ならおおよその色はわかります。
色といっても見える光の吸収・反射だけでなく赤外線・紫外線の吸収もです。
赤外線は、分子の振動や回転エネルギーと変換されて吸収されます。
紫外線は、分子の電子軌道のエネルギーに対応して吸収されます。
見える光(可視光といいます)の吸収は、紫外線吸収の特別な場合なのです。
たとえば、水やエタノールなどの二重結合のない単純な分子は、吸収紫外線
の波長が短くて、可視光を吸収しないので透明です。また、二重結合があっ
ても、ベンゼン程度では少し波長の長い紫外線の吸収までで、まだ透明です。
ニトロ基がついたり多くのベンゼン環が共役系といわれる構造で吸収される
波長が長くなると色がついてきます。この色は、分子軌道計算で電子軌道の
エネルギーを予測できますが、複雑になればなるほど誤差が大きく微妙な色
合いはずれます。有機化合物の場合、似たような(色のわかっている)化合物
から、少し違っている部分の効果を考えて、推定できたりします。
また、銅やクロムなどの金属イオン(の水溶液)は d 軌道の電子が可視光吸収
があります。ナトリウムや亜鉛のイオンは、この吸収がないのです。
また、金属は自由電子というものがあり、多くの光を反射します。
最初に「おおよその色は」といったのは、誤差が大きかったり、複雑すぎて
計算できなかったりするものも多いからです。

お礼

高度な内容を判りやすくご説明いただき、ありがとうございました。「光の吸収（透明性）とか反射（色合い）とか、光が電子軌道とどうかかわり合うのかが、理論的には解明し尽くされたわけではない。ただしおおまかには推定できる。」と理解しておきたいと思います。お礼が遅れて申し訳ありませんでした。