イオンとは?日常でよく耳にするイオンの正体(電気の基礎知識)

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水と電気の関係。純水は電気を通さない?(電気の基礎知識)
で、
水分子には極性がある。
ということをご説明しました。

今回は、
水分子にとても関わりの大きい「イオン」についてご紹介していきます。

蓄電池や
錆(サビ)の原因にも関わってくるので、
消防設備士試験や電気工事士試験には出ませんが、
実務に役立てる部分ですので
ぜひ理解を深めていただければと思います。

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イオンとは?



陽子と電子は
それぞれ(+)と(-)の電荷を持っています。


水素原子
各元素の原子は、
陽子と電子を必ず同数ずつ持っているので、
原子そのものは電気的に中性です。

しかし、
元素の中には電子が飛び出しやすいものと
逆に、
電子を受け取りやすいものがあります。

電子が飛び出したものは(-)の電荷を失うので
(+)に帯電します。

一方、
電子を受け取った方は(-)の電荷が増えるので、
(-)に帯電します。

このように、
電子の移動により帯電したものを
「イオン」と呼び、
(+)に帯電したものをプラスイオン(陽イオン)
(-)に帯電したものをマイナスイオン(陰イオン)といいます。



一番生活にも馴染み深い、
食塩(塩化ナトリウム)で簡単にご説明していきます。


ナトリウム原子

ナトリウム原子は
電子殻の最外殻に一つだけ電子を持っています。

ナトリウム原子は、
この最外殻の電子を放出して安定した閉殻構造の
プラスイオンになろうとします。

一方、
塩素原子は、


塩素原子

最外殻に一つだけ空きがあるので、
電子を取り込んで安定した閉殻構造の
マイナスイオンになろうとします。

この二つの原子が
近くにあると、


ナトリウム、塩素

ナトリウムが電子を一つ放出し、
塩素がその電子を受け取ります。

すると、
それぞれ安定した閉殻構造になると同時に
イオン化し、


ナトリウムイオン

塩素イオン

(+)と(-)に帯電します。

帯電した二つのイオンは、
異極同士なので
クーロン力で引き付け合います。


クーロン力(イオン)

すると、
この二つのイオンはクーロン力によって
結合。


イオン結合4

このクーロン力によってイオン同士が
結合することを<イオン結合>といいます。

こうしてイオン同士が結合すると
電気的にも安定した分子になることができます。


イオン結合

クーロン力は、
イオンの周り360°全方位に作用し、
共有結合のように方向には左右されないので、
このように結合します。


イオン結合2

ごちゃごちゃしてわかりづらいかもしれませんが、
ご了承ください。

イオン結合3

イラストでは
2次元の表現になってしまっていますが、
実際には3次元方向にも結合しています。


それでは、
この安定した食塩(塩化ナトリウム)を水に溶かすとどうなるか?



水に食塩を溶かすと?



水分子は極性を持つ極性分子でしたよね?

この電気的に偏りのある水分子にイオン結合した物質をいれると。

水分子中の
酸素原子の強い(-)電荷にナトリウムは引き寄せられ、

一方、
水素原子の(+)電荷に塩素は引き寄せられ、

塩化ナトリウムのイオン結合は引き離されてしまいます。


ナトリウム イオン

塩素 イオン

こうして、
再びナトリウムと塩素は
結合から引き離されるので電荷を持つことになり

イオン化すると同時に
水分子により取り囲まれます。

水の中をナトリウムイオン、
塩素イオンが漂うことになります。

これで水に溶け込んだという形になります。

これが、
水に食塩が溶ける仕組みです。

水はイオン結合によって結合したものを溶かすのです。



一方、
砂糖などが水に溶ける仕組みはまた別で、
分子構造に水分子と同じように-OH基を含み
極性を持つ物質は

今度は水素結合によって溶けます。


逆に、
極性を持たない油などは水に溶けず分離します。



純粋な水は電気を通しませんが、
イオンが溶け込んだ水は
このイオンが電子を受け取ったり放出したりすることによって
電気が流れるようになるのです。

なので、
淡水よりも溶け込んだイオンの成分が多い
海水の方が電気を通しやすいです。



このように
イオンが溶け込んだ液体を「電解液」

乾電池などに使われている
イオンが溶け込んだ物質を「電解質」といいます。



また、
金属などの導体は、
温度が上がると導体内部の原子の振動が激しくなり
電子と衝突しやすくなるので抵抗値は上がりますが、

電解液の場合は、
電子の受け渡しをしてくれる
イオンの動きが活発になるので抵抗値は下がります。




イオン化傾向



元素の中には、
ナトリウムと塩素のようにイオンになりやすいものと、

金や銀のように、
イオンになりにくいものがあります。

この違いのことを
「イオン化傾向」といいます。

ミネラルなどでお馴染みの
カルシウムやマグネシウムなどはイオン化しやすく、

金銀銅などの金属はイオン化しにくいです。

なぜそうなるのかは
難しく理解出来なかったので省略させていただきます。




どうでしょうか?

なんとなくイメージはつかめましたか?

蓄電池やサビについての説明の時に
もっと詳しくご紹介できればと思っております。



このイオンが理解できれば、
日常生活でも役に立つことが出てくると思います。

身近なもので言えば
「マイナスイオンが健康にいい」などとよく言われてますよね。

果たして本当でしょうか?

空気中の成分がマイナスの電荷を持った
というだけのものが
本当に身体にいい影響をもたらすのか?



個人的にはあまり信用していません。



ちなみに、
マイナスイオンと言えば滝ですが、

滝がマイナスイオンを出す原理は、
「レナード効果」と呼ばれるものだそうです。

詳しくはウィキペディアに載っていましたので参考にしてみてください!
リンク> レナード効果 – Wikipedia

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