１. 四酸化三鉄の結晶構造、２. 四酸化三鉄の結晶模型、３. プラ板サンドイッチ方式による四酸化三鉄の結晶模型の作り方
スチールウールを燃やすと、後に黒いものが残ります。鉄に酸素が化合したものなので酸化鉄の一種です。鉄イオン３個に対して酸素イオン４個の割合で化合しています。化学式はFe3O4とかき、四酸化三鉄と読みます。砂の中に混じっている砂鉄や、フェライト磁石もその主成分は四酸化三鉄です。四酸化三鉄は、自然界に広く存在しており、日常生活でもいろいろなものに使われています。
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四酸化三鉄（Fe3O4）には、２種類の鉄イオンFe2+と Fe3+があります。酸素イオン４個あたり、Fe2+が１個とFe3+が２個含まれています。これらのイオンが右の 写真のように配列しています。 これは、２４個の鉄イオンと３２個の酸素イオン(O2-)が集まったもので、四酸化三鉄の結晶の最小単位（単位格子）です。 ２億倍の結晶模型では１辺が16.8cm の立方体になります。 粉のような四酸化三鉄でも、この最小単位が、前後・左右・上下それぞれに数百万から数千万個づつ並んでいます。だから、四酸化三鉄も結晶といえるのです。 |
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発泡スチロール球を使って、はじめて四酸化三鉄の結晶模型を作ったのは、長谷川智子さん(東京都・今戸中学校)と布
正人さん（高知県・周防形小学校）です。（布
正人『分子模型とイメージ１』高知仮説サークル自費出版、1990、pp.8〜13）
長谷川さんと布さんが作った結晶模型は１億倍でしたが、Fe2+と、Fe3+は同じ大きさの発泡スチロール球を使っています。１億倍の結晶模型は教室で使うには小さいので、２億倍の結晶模型を布さんの作り方で作ってみました。Fe2+と、Fe3+には同じ大きさの発泡スチロール球(直径３cm)を使いましたが、隙間ができたりつっかえたりしてしっくり収まりませんでした。(佐々木修治・榊原郁子「酸化鉄の結晶模型の作り方」北海道地区化学教育研究協議会,1991
発表資料）
何度か作り直す中で、２億倍の結晶模型では、Fe2+には直径が3.5cm、Fe3+には2.5と3.5cmの発泡スチロール球を使うと良いことが確かめられました。酸素イオン(O2-)は、イオン半径
1.26 Å を２億倍すると、直径が 5.04 cmになるので、
直径が5cmの発泡スチロール球を使います。
イオン半径の値は、多くの化合物で測定した＋と−のイオン間の距離をもとに決められています。はじめに酸素イオンの半径を決めてから、他のイオンの半径が求められています。イオン半径から計算した値と実測値との差ができるだけ小さくなるように酸素イオンの半径が決められています。
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四酸化三鉄の結晶の最小単位には、さらに小さな２種類のユニット(A、B)が４個づつ含まれています。(写真) ユニットA、B はどちらにも、４個の酸素イオンがありますが、酸素イオンの中心は図ー２のように、小さな立方体の４つの頂点にあります。この４つの頂点を結ぶと正四面体ができます。この立方体の大きさは、ユニットAとBで同じです。ユニットAとBが８個集まったものが四酸化三鉄の結晶の最小単位になります。 ただし、これでは2.5cm球のFe３+が４個残ります。この４個の鉄イオンは、隣り合った単位格子の間で共有されているもので、図ー３のように立方体の８つの頂点と６つの面の中心にあります。頂点にある鉄イオンは、８個の単位格子で共有されているので、１個の単位格子当たり８分の１となり８つの頂点を合わせて１個となります。面の中心にある鉄イオンは２個の単位格子で共有されているので１個の単位格子当たり２分の１となり、６つの面を合わせて３個になります。これらのFe３+も４個の酸素イオンと接しています。 |
ユニットA ユニットB |
３. プラバンサンドイッチ方式による四酸化三鉄の結晶模型の作り方
材 料：
発泡スチロール球 鉄イオン(Fe3+)用・・・ ２.５ｃｍ：
８個
鉄イオン(Fe3+)用・・・ ３.５ｃｍ：
８個
鉄イオン(Fe2+)用・・・ ３.５ｃｍ：
８個
酸素イオン用 ・・・５.０ｃｍ：
３２個
プラ板（Ｂ-４版、厚さ０.５mm） ２枚
灰色と赤の水性塗料、木工ボンド
作り方：
１．発泡スチロール球を、鉄イオン用は灰色に、酸素イオン用は赤に塗ってから半分に切る。
(2.5cm球は切らずに球のまま使う）
２．プラ板を、下図に合わせて切る。(４枚)
３．下図ｰ２の１段目、２段目それぞれにプラ板をのせて、セロテープなどで止めてから、半分に切った酸素イオン(赤)と 3.5cm の鉄イオン用の発泡スチロール球を、下図に合わせて木工ボンドで接着する。よく乾いてから裏側にも半分に切った発泡スチロール球を、表に合わせて接着する。同じものを２個づつつくる。
４．2.5cm球の鉄イオンを、図ー２の実線の円に合わせて酸素イオンの上にのせて接着する。
５．１、２段を重ねて上下を逆にしたものをもう１組作る。(３、４段目）１、２段目の上に３、４段目を重ねる。
６．残った４個の鉄イオン(2.5cm球)は、図ー３に示した位置に接着する。(面の中心に３個、頂点に１個）
この鉄イオンはとれやすいので、つまようじを短く切ったものを間にいれて補強する。前のページへ 次のページへ 目次へ
図ー２
図ー３