透明で硬いダイヤモンドと、黒くて紙に跡を残す黒鉛。見た目も使い道も違いますが、どちらも炭素という元素からできています。同じ材料なら同じ性質になるはずだ、と考えると不思議です。
違いを生むのは、炭素原子のつながり方や並び方です。材料の種類を答える問いと、その材料がどんな構造を作っているかという問いは別です。この二段階を分けると、物質の比較表を読みやすくなります。
一枚ずつずれやすい構造と、立体的につながる構造
黒鉛では、炭素原子が強く結び付いた平たい層が重なっています。層の内部と、層と層の間では結び付き方が違い、層どうしがずれやすいという特徴があります。紙にこすったときに黒い跡を残す性質も、この構造とつながります。
ダイヤモンドでは、炭素原子どうしの結び付きが三次元へ広がっています。黒鉛のような、重なった層が簡単に滑る構造ではありません。中学受験の段階では原子模型の細部を暗記するより、平たい層の重なりと立体的な網目の違いを押さえるとよいでしょう。
図は二つの構造の違いを整理する概念図で、原子の実際の間隔や結合角を表していません。「同じ丸を使った模型でも、つなぎ方が違えば全体の性質が変わる」という点に注目してください。
硬さと、割れにくさは同じ尺度ではない
ダイヤモンドが硬いというとき、代表的には引っかきに対する強さを考えています。硬いから、どんな方向からたたいても絶対に割れない、という意味ではありません。物質の強さにも、何を試したかによって異なる尺度があります。
比較表に「硬さ」と「衝撃への強さ」が別々に並んでいたら、一方の順位をそのまま他方へ写さないようにします。熱を伝える性質、電気を通す性質も、それぞれ独立に確かめる項目です。「金属ではないから、電気も熱も通さない」とひとまとめにすることもできません。
黒鉛は電気を通しますが、純粋なダイヤモンドは通常、電気を通しにくい物質です。同じ炭素でも構造によって違いが生まれます。特殊な加工をした材料まで一律に扱うのではなく、表がどの試料についての値かを確かめましょう。
例題1：同じ材料なら、性質も同じといえる？
物質AとBは、どちらも炭素だけからできているとします。Aは層状の構造を持ち、Bは立体的に結び付いた構造です。「含まれる元素が同じなので、電気の通しやすさも必ず同じ」と説明してよいですか。
答え・解説： その説明はできません。元素の種類が同じでも、原子の結び付き方が違えば物質の性質は変わります。構造の情報は、成分とは別に読む必要があります。ただし、図の印象だけで電流の具体的な値まで計算できるわけではなく、実験結果などが必要です。
「同じ重さ」と「同じ体積」の比較を分ける
黒鉛とダイヤモンドでは密度も違います。密度とは、同じ体積あたりの重さです。同じ重さを用意しても、見た目の大きさがそろうとは限りません。大きい塊の方に必ず多くの炭素がある、と写真だけで判断しないでください。
また、鉛筆の芯は、そのまま純粋な黒鉛の塊ではありません。粘土などを混ぜて作る製品があります。鉛筆の芯で行った測定を「純粋な黒鉛の値」として表に入れるには、試料の成分を確かめる必要があります。
理科では、身近な品物の名前と純物質の名前を区別します。鉛筆という製品の便利さを考える話と、炭素の構造だけを比較する話を行き来するときは、その境目を意識しましょう。
例題2：同じ体積を取り出したときの重さ
計算用に、黒鉛の密度を2.2g/cm³、ダイヤモンドを3.5g/cm³とします。それぞれ2cm³ずつ用意すると、重さは何gになりますか。また、同じ7gならどちらの体積が大きいですか。
答え・解説： 黒鉛は2.2×2＝4.4g、ダイヤモンドは3.5×2＝7.0gです。同じ7gなら、ダイヤモンドは2cm³、黒鉛は7÷2.2で約3.18cm³となり、黒鉛の体積が大きくなります。示した密度は計算のために丸めた値です。
性質の理由は、見た目の印象より構造へ
黒いから電気を通す、透明だから硬い、という説明は成り立ちません。色、硬さ、電気伝導性の間に、いつでも使える一対一の対応があるわけではないからです。比較する項目を表の別々の列へ置くと、思い込みに気づきやすくなります。
同じ元素からできた、性質の異なる単体を同素体と呼びます。言葉を覚えた後は、なぜ同じ材料でも違いが出るのかを図へ戻って説明してみてください。「成分は共通、構造は異なる」と短く言えれば、名前だけの暗記から一歩進めます。
成分と表面を分ける合金の割合や、見かけと物性を分ける金属と磁石にも、比較項目を混ぜない考え方が共通しています。
鉛筆の線を紙に残せることと、宝石の表面で傷を付けられることを、一つの「強さ」で比べないようにしましょう。ひっかいた傷への抵抗、押したときの変形、割れる向きは別の性質です。黒鉛の図で層を重ねて描いたのも、炭素が少ないという意味ではありません。同じ元素を使いながら、隣り合う原子のつながり方が異なることを表しています。物質名を伏せた資料でも、成分の欄と性質の欄を分けて読むと判断できます。