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化学

原子げんし構造こうぞう周期しゅうきひょう

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 2 しょうでは、 中学ちゅうがくまなんだ 「原子げんしはそれ以上いじょうけられない」 をいちふみこえ、 「原子げんしなかはどうなっているか」 をまなびます。 原子げんし内部ないぶることで、 「なぜ周期表しゅうきひょうはあのかたちをしているか」 「なぜ Na と K はにた性質せいしつしめすか」 という化学かがく根本こんぽんてき問いとい答えこたえられるようになります。

  • 原子げんし原子核げんしかく (陽子ようし + 中性子ちゅうせいし)電子でんし でできているとわかる
  • 原子番号げんしばんごう質量数しつりょうすう意味いみえる
  • 同位体どういたい (アイソトープ) のれいをあげられる
  • 電子配置でんしはいち (K から・L から・M から ・N から) をける
  • 価電子かでんし原子げんし性質せいしつめることを理解りかいする
  • 周期表しゅうきひょう周期律しゅうきりつ説明せつめいできる
  • 典型元素てんけいげんそ遷移元素せんいげんそ区別くべつできる

ポイント: 化学かがく性質せいしつ (反応はんのうのしやすさ・イオンいおんあたいすう結合けつごう種類しゅるい) はほぼすべて 電子でんしのふるまいまります。 とくに いちばん外側そとがわ電子でんし = 価電子かでんし主役しゅやくです。

1. 原子げんし構造こうぞう

原子核のまわりを電子が円軌道で回るボーア型原子模型
ボーアの原子げんしモデル中央ちゅうおう原子核げんしかく (陽子ようし + 中性子ちゅうせいし) のまわりを電子でんしから (K, L, M …) ごとにまわるイメージ。

原子げんしおおきさ

原子げんしはとてもちいさいもので、 直径ちょっけいはおおよそ 10⁻¹⁰ m (= 0.1 nm) です。 1 えんだまならべると 1 おくで 1 cm 程度ていどです。

ものおおきさの目安めやす
1 えんだま直径ちょっけい2 × 10⁻² m (2 cm)
かみふとやく 10⁻⁴ m
細菌さいきんやく 10⁻⁶ m
ウイルスやく 10⁻⁷ m
分子ぶんし (すい H₂O)やく 3 × 10⁻¹⁰ m
原子げんしやく 10⁻¹⁰ m
原子核げんしかくやく 10⁻¹⁵ m (原子げんしの 1 まんぶんの 1)

ポイント: 原子げんしのほとんどの体積たいせき電子でんしうごくすきま です。 もし原子げんし全体ぜんたい東京とうきょうドームのおおきさにたとえると、 原子核げんしかくはピンポンだま 1 くらいのおおきさです。

原子核げんしかく電子でんし

原子げんし中心ちゅうしん原子核げんしかく と、 そのまわりを電子でんし でできています。 原子核げんしかくはさらに 陽子ようし中性子ちゅうせいし からなります。

構成こうせい粒子りゅうし記号きごう電気でんき質量しつりょう (相対そうたい陽子ようし = 1)場所ばしょ
陽子ようしp (proton)+1 (せい電荷でんか)1原子核げんしかくなか
中性子ちゅうせいしn (neutron)0 (なし)1原子核げんしかくなか
電子でんしe⁻ (electron)−1 (電荷でんか)やく 1 / 1840原子核げんしかくのまわり

原子げんしなかかず

原子げんし電気でんきてき中性ちゅうせい (電荷でんか = 0) であるとき、 陽子ようしかず = 電子でんしすう です。

原子げんし陽子ようし中性子ちゅうせいし電子でんし
水素すいそ ¹H101
ヘリウム ⁴He222
炭素たんそ ¹²C666
窒素ちっそ ¹⁴N777
酸素さんそ ¹⁶O888
ナトリウム ²³Na111211
塩素えんそ ³⁵Cl171817
てつ ⁵⁶Fe263026

2. 原子げんし番号ばんごう質量しつりょうすう

原子げんし番号ばんごう質量しつりょうすう定義ていぎ

用語ようご定義ていぎ
原子番号げんしばんごう Z陽子ようしかず元素げんそ種類しゅるいめる
質量数しつりょうすう A陽子ようしかず + 中性子ちゅうせいしかず
中性子ちゅうせいしすうA − Z

原子げんしあらわすとき、 元素げんそ記号きごう左下ひだりした原子番号げんしばんごう左上ひだりうえ質量数しつりょうすうきます。

表記ひょうき意味いみ
₁²H や ²H質量しつりょうすう 2 の水素すいそ (= 重水素じゅうすいそ D)
₆¹²C や ¹²C質量しつりょうすう 12 の炭素たんそ
₁₇³⁵Cl質量しつりょうすう 35 の塩素えんそ

原子げんし番号ばんごう周期しゅうきひょうなら

周期表しゅうきひょう原子げんし番号ばんごうじゅん元素げんそならべたものです。 1 ばん水素すいそ H、 2 ばんがヘリウム He、 3 ばんがリチウム Li …… とつづきます。

番号ばんごう元素げんそ記号きごう
1水素すいそH
2ヘリウムHe
3リチウムLi
4ベリリウムBe
5ホウB
6炭素たんそC
7窒素ちっそN
8酸素さんそO
9フッF
10ネオンNe
11ナトリウムNa
12マグネシウムMg
17塩素えんそCl
18アルゴンAr
20カルシウムCa
26てつFe
29どうCu
47ぎんAg
79かねAu

大事だいじ: 高校こうこう化学かがくではすくなくとも 原子げんし番号ばんごう 1 〜 20 までの元素げんそじゅんえるようにしましょう。 「水兵すいへいリーベぼくのふね」 などのごろあわせが有名ゆうめいです。

3. 同位どういたい

同位どういたい定義ていぎ

おな元素げんそ (= おな原子番号げんしばんごう) でありながら、 中性子ちゅうせいしかずがちがう (= 質量数しつりょうすうがちがう) ものどうしを 同位体どういたい (アイソトープ) とびます。

元素げんそ同位どういたいれい陽子ようし中性子ちゅうせいし質量しつりょうすう
水素すいそ¹H (けい水素すいそ)101
水素すいそ²H (重水素じゅうすいそ D)112
水素すいそ³H (さん重水素じゅうすいそ T、 放射性ほうしゃせい)123
炭素たんそ¹²C6612
炭素たんそ¹³C6713
炭素たんそ¹⁴C (放射性ほうしゃせい年代ねんだい測定そくてい使つかう)6814
塩素えんそ³⁵Cl171835
塩素えんそ³⁷Cl172037

放射ほうしゃせい同位どういたい

同位体どういたいなかには、 原子核げんしかくがふあんていで 放射線ほうしゃせんしてべつ元素げんそわるものがあります。 これを 放射性同位体ほうしゃせいどういたい (ラジオアイソトープ) とびます。

同位どういたい半減はんげん用途ようと
¹⁴C5730 ねん化石かせき遺物いぶつ年代ねんだい測定そくてい
¹³¹Iやく 8 にち甲状腺こうじょうせん検査けんさ治療ちりょう
⁹⁹ᵐTcやく 6 時間じかん体内たいない検査けんさ
²³⁵Uやく 7 おくねん原子力げんしりょく発電はつでん

ポイント: 同位体どういたい化学かがくてき性質せいしつがほぼおなじ (= 反応はんのうのしかたがおなじ) です。 質量しつりょうだけがちがうので、 物理ぶつりてき性質せいしつ (拡散かくさん速度そくど沸点ふってんがわずかにことなる) でけます。

原子げんしりょう (相対そうたい質量しつりょう) のかんがかた

原子げんし質量しつりょうはあまりにもちいさいため、 グラムであらわすと不便ふべんです。 そこで ¹²C (炭素たんそ 12) を 12 とした相対そうたいあらわします。 これを 相対質量そうたいしつりょうび、 自然しぜんかい存在そんざいする同位体どういたい存在そんざい加重かじゅう平均へいきんしたものを 原子量げんしりょうびます。

元素げんそおも同位どういたい存在そんざい原子量げんしりょう
水素すいそ¹H 99.99 % + ²H 0.01 %やく 1.0
炭素たんそ¹²C 98.9 % + ¹³C 1.1 %やく 12.0
塩素えんそ³⁵Cl 75.8 % + ³⁷Cl 24.2 %やく 35.5
どう⁶³Cu 69.2 % + ⁶⁵Cu 30.8 %やく 63.5

塩素えんそ計算けいさんれい: 35 × 0.758 + 37 × 0.242 ≒ 35.5

4. 電子でんし配置はいち

電子でんしから

原子核げんしかくのまわりの電子でんしは、 きまった 電子殻でんしかくはいっています。 内側うちがわからじゅんK から、 L から、 M から、 N から名付なづけられ、 はいることのできる電子でんし最大さいだいすうまっています。

電子でんしから最大さいだい電子でんしすう計算けいさん (2n²)
K から (n = 1)22 × 1² = 2
L から (n = 2)82 × 2² = 8
M から (n = 3)182 × 3² = 18
N から (n = 4)322 × 4² = 32

おも元素げんそ電子でんし配置はいち

電子でんし原則げんそくとして ないがわからからじゅんはい高校こうこう化学かがくでは 20 ばん (Ca) までは単純たんじゅんに K → L → M → N のじゅん考えかんがえます (M からは 8 一旦いったん安定あんていし、 19 ばんから N からはいる) 。

原子げんし番号ばんごう元素げんそKLMN価電子かでんし
1H11
2He20 (8 でなく 2 で安定あんてい)
3Li211
4Be222
5B233
6C244
7N255
8O266
9F277
10Ne280
11Na2811
12Mg2822
13Al2833
14Si2844
15P2855
16S2866
17Cl2877
18Ar2880
19K28811
20Ca28822

価電子かでんし性質せいしつ

いちばん外側そとがわ電子殻でんしかく (= さいそとから) にはいっている電子でんし価電子かでんしびます (まれガスは化学かがく反応はんのうをほとんどしないので価電子かでんし 0)。 価電子かでんしかず元素げんそ化学かがくてき性質せいしつめます。

価電子かでんし性質せいしつれい
1+1 あたい陽イオンようイオンになりやすい (1 うしなう)Li⁺、 Na⁺、 K⁺
2+2 あたい陽イオンようイオンになりやすい (2 うしなう)Mg²⁺、 Ca²⁺
3+3 あたい陽イオンようイオンになりやすいAl³⁺
6−2 あたい陰イオンいんイオンになりやすい (2 もらう)O²⁻、 S²⁻
7−1 あたい陰イオンいんイオンになりやすい (1 もらう)F⁻、 Cl⁻、 Br⁻
0 (8 安定あんてい)反応はんのうしにくいHe、 Ne、 Ar、 Kr (まれガス)

大事だいじ: 元素げんそが 「どんなイオンになるか」 「どんな結合けつごうつくるか」 はほぼ 価電子かでんしすうまります。 周期しゅうきひょうおなれつ にある元素げんそ価電子かでんしかずおなじで、 性質せいしつがにています。

まれガスとオクテットそく

He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe、 Rn を 希ガスきガス (貴ガスきガス18 族元素18 ぞくげんそ) とびます。 これらはさいそとから電子でんし 8 (He は 2 ) で完全かんぜんまっていて、 化学かがくてき非常ひじょう安定あんてい (反応はんのうしにくい) です。

ほかの元素げんそイオンいおんになったり共有結合きょうゆうけつごうつくったりするのは、 「まれガスとおな電子でんし配置はいちになるため」 と説明せつめいできます。 これを オクテット則オクテットそく (8 安定あんてい) とびます。

5. 周期しゅうきひょう構造こうぞう

元素を族と周期で配置し、s p d f ブロックで色分けした周期表
周期表しゅうきひょう元素げんそ原子番号げんしばんごうじゅんならべ、 電子配置でんしはいちで s/p/d/f ブロックに分類ぶんるいたてぞくよこ周期しゅうき

周期しゅうきひょうかたち

周期表しゅうきひょう は、 元素げんそ原子番号げんしばんごうじゅんならべて、 性質せいしつがにたものどうしが おなれつるようにつくられたひょうです。 1869 ねんメンデレーエフ最初さいしょかたち発表はっぴょうしました。

  • よこくだり = 周期しゅうき (1 周期しゅうき 〜 7 周期しゅうき)
  • たてれつ = ぞく (1 ぞく 〜 18 ぞく)
  • おな周期しゅうき元素げんそ電子でんしからすうおな
  • おなぞく元素げんそ価電子かでんしすうおなじ → 性質せいしつがにている

おもぞく名前なまえ

ぞく名前なまえおも元素げんそ性質せいしつ
1アルカリ金属アルカリきんぞく (H をのぞく)Li、 Na、 K、 Rb、 Cs価電子かでんし 1、 +1 あたいイオン、 みずはげしく反応はんのう
2アルカリ土類金属アルカリどるいきんぞくCa、 Sr、 Ba (Be、 Mg はふくめない立場たちばおおい)価電子かでんし 2、 +2 あたいイオン
17ハロゲンF、 Cl、 Br、 I価電子かでんし 7、 −1 あたいイオン、 つよ酸化作用さんかさよう
18希ガスきガス (貴ガスきガス)He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe、 Rn安定あんてい化合かごうぶつをほとんどつくらない

典型てんけい元素げんそ遷移せんい元素げんそ

区分くぶんぞく性質せいしつ
典型元素てんけいげんそ1、 2、 13 〜 18 ぞく価電子かでんしぞく番号ばんごう対応たいおうし、 性質せいしつ周期しゅうきせい明確めいかく
遷移元素せんいげんそ3 〜 12 ぞく価電子かでんしはほぼ 1 〜 2、 酸化数さんかすうをいくつもる、 おおくは有色ゆうしょく

金属きんぞく非金属ひきんぞく

周期表しゅうきひょうおおきくると、 左下ひだりした金属きんぞくみぎじょう非金属ひきんぞくかれます。 境目さかいめにある B、 Si、 Ge、 As、 Sb、 Te は 半金属はんきんぞく (半導体はんどうたい) とばれ、 シリコン Si は IC チップの主役しゅやくです。

区分くぶん性質せいしつ
金属きんぞく電気でんきとおす、 ねつつたえる、 光沢こうたく展性てんせい延性えんせいがある
非金属ひきんぞく電気でんきとおさない (一部いちぶ例外れいがい: 黒鉛こくえん)、 ねつつたえにくい

6. 周期しゅうきりつ

周期しゅうきりつとは

元素げんそ原子番号げんしばんごうじゅんならべると、 性質せいしつ周期しゅうきてきにくりかえしてあらわれる ことを 周期律しゅうきりつびます。 これは 電子でんし配置はいち (とくに価電子かでんしすう) が周期しゅうきてきにくりかえす ことが原因げんいんです。

周期しゅうきせいしめ物理ぶつりりょう

物理ぶつりりょう周期しゅうきない (ひだりみぎ)ぞくない (じょうしも)
原子半径げんしはんけいちいさくなる (かく引力いんりょくつよまる)おおきくなる (からえる)
イオン化エネルギーイオンかエネルギーおおきくなる (電子でんしのぞきにくくなる)ちいさくなる
電子親和力でんししんわりょくおおきくなる (電子でんしりやすくなる)ちいさくなる
電気陰性度でんきいんせいどおおきくなる (Cl > S > P > Si > Al > Mg > Na)ちいさくなる
金属きんぞくせいよわまるつよまる

イオンエネルギー

イオン化エネルギーイオンかエネルギー とは、 「気体きたい原子げんしから電子でんしを 1 のぞいて陽イオンようイオンにするのに必要ひつようなエネルギー」 です。

元素げんそイオンエネルギーのおおきさ
まれガス (Ne、 Ar)非常ひじょうおおきい (電子でんしのぞきにくい)
アルカリ金属きんぞく (Na、 K)ちいさい (電子でんしのぞきやすい)

ポイント: Na の 1 ばん電子でんしは K からや L からではなく M から に 1 だけあって、 かくからとおいため引力いんりょくよわく、 簡単かんたんれて Na⁺ になります。 これが 1 ぞく (アルカリ金属きんぞく) の反応はんのうせいたか理由りゆうです。

電気でんき陰性いんせい

電気陰性度でんきいんせいど とは、 「原子げんし共有結合きょうゆうけつごう電子でんしせるつよ」 をあらわあたいです (ポーリングのあたい)。 だい 3 しょう極性きょくせい重要じゅうようになります。

元素げんそ電気でんき陰性いんせい
F4.0 (最大さいだい)
O3.5
N3.0
Cl3.0
C2.5
H2.1
Na0.9 (ちいさい)

7. 周期しゅうきひょう使つかいこなす

化学かがく反応はんのう予想よそうする

周期表しゅうきひょうめると、 まだまなんでいない反応はんのうでも 「だいたいこう反応はんのうするだろう」 と予想よそう できるようになります。

元素げんそ組合せくみあわせ予想よそうされる反応はんのう / 化合かごうぶつ
1 ぞく金属きんぞく (Na とう) + 17 ぞく (Cl とう)NaCl、 KBr のようなイオン結合けつごう (1 + 1 = 中性ちゅうせい)
2 ぞく (Ca とう) + 17 ぞく (Cl とう)CaCl₂、 MgBr₂ (2 + 1 + 1)
2 ぞく (Ca とう) + 16 ぞく (O とう)CaO、 MgS (2 + 2)
13 ぞく (Al) + 17 ぞく (Cl とう)AlCl₃ (3 + 1 × 3)
14 ぞく (C、 Si)CH₄ や SiO₂ など 4 結合けつごう

周期しゅうきひょうまなんだことのまとめ

かること周期しゅうきひょうのどこを
元素げんそなんのイオンになるかぞく (1 ぞく → +1、 2 ぞく → +2、 17 ぞく → −1、 16 ぞく → −2)
電子でんし配置はいち周期しゅうき (n) とぞく (価電子かでんし) の組合せくみあわせ
金属きんぞく非金属ひきんぞく左下ひだりしたみぎじょう
反応はんのうしにくいか18 ぞく (まれガス) はほぼ反応はんのうしない

8. 安全あんぜん配慮はいりょ

周期しゅうきひょう関係かんけいする危険きけん元素げんそ

周期しゅうきひょう元素げんそなかにはつよ反応はんのうせい毒性どくせいつものがおおくあります。 高校こうこう化学かがく直接ちょくせつあつかうことはすくないですが、 知識ちしきとしてさえましょう。

元素げんそ危険きけんせい注意ちゅうい
Na、 K (アルカリ金属きんぞく)みずはげしく反応はんのう水素すいそ H₂ を発生はっせい発火はっか爆発ばくはつ灯油とうゆちゅう保存ほぞん素手すででさわらない
F₂、 Cl₂ (ハロゲン)つよ酸化作用さんかさよう有毒ゆうどくなガスドラフトどらふとあつか
Hg (水銀すいぎん)蒸気じょうき有毒ゆうどくこぼしたらただちに回収かいしゅう
Pb (なまり)神経しんけいけい影響えいきょうどものあやましょく注意ちゅうい
放射ほうしゃせい同位どういたい (²³⁵U、 ¹³¹I)放射線ほうしゃせん高校こうこうでは直接ちょくせつあつかわない

実験じっけんしつ一般いっぱん安全あんぜん

だい 1 しょうおなじですが、 周期しゅうきひょう電子でんし配置はいち実験じっけん (えんしょく反応はんのうとう) でもまもること:

  • 保護メガネほごめがねかなら着用ちゃくよう
  • ガスバーナーは 元栓もとせん空気くうき燃料ねんりょうじゅんけ、 すときはぎゃく
  • ほのおしょく反応はんのう試料しりょうるときは 白金線はっきんせん塩酸えんさんあらってから使つか
  • 薬品やくひん直接ちょくせつさわらない、 こぼしたらすぐ報告ほうこく

強酸きょうさんつよし塩基えんき

  • 周期しゅうきひょう17 ぞく (ハロゲン) の化合かごうぶつ (HCl、 HF) は 強酸きょうさん有毒ゆうどくガスがおお
  • HF (フッ化水素フッかすいそ) はガラスをかし、 皮膚ひふにつくとおもいやけど + 全身ぜんしん中毒ちゅうどくのおそれ
  • 1 ぞく水酸化物すいさんかぶつ (NaOH、 KOH) は 強塩基きょうえんき皮膚ひふかす

加熱かねつ・ガラス器具きぐ

  • ほのおしょく反応はんのう燃焼ねんしょう実験じっけんでは 保護メガネほごめがね換気かんき
  • 加熱かねつした試験管しけんかんはすぐにはさわらない
  • 破損はそんしたガラスは軍手ぐんてやピンセットでひろ

9. ふりかえり

  • [ ]原子げんし原子核げんしかく (陽子ようし中性子ちゅうせいし) と電子でんしでできているとえる
  • 原子番号げんしばんごう = 陽子ようしかず = (中性ちゅうせい原子げんしでは) 電子でんしすうえる
  • 質量数しつりょうすう = 陽子ようし + 中性子ちゅうせいしえる
  • [ ]同位体どういたいれい (¹²C と ¹⁴C など) をあげられる
  • H 〜 Ca (1 〜 20 ばん) までの電子配置でんしはいち (K、 L、 M、 N) をける
  • [ ]価電子かでんしかずイオンいおんあたいすうむすびつけて説明せつめいできる
  • [ ]周期表しゅうきひょうの 「周期しゅうき = よこぞく = たておなぞく = 性質せいしつがにている」 をえる
  • [ ]アルカリ金属アルカリきんぞくハロゲン希ガスきガス性質せいしつえる
  • [ ]典型元素てんけいげんそ遷移元素せんいげんそのちがいをえる
  • [ ]周期律しゅうきりつイオン化エネルギーイオンかエネルギー電気陰性度でんきいんせいど周期しゅうきせい説明せつめいできる
  • [ ]周期しゅうきひょう関係かんけいする危険きけん元素げんそ (Na、 F、 HF など) の注意ちゅういえる

このしょう安全あんぜん配慮はいりょ

  • アルカリ金属アルカリきんぞく (Na、 K) はみずはげしく反応はんのう火災かさい危険きけん教師きょうしのデモ以外いがい直接ちょくせつあつかわない
  • ハロゲンガス (Cl₂、 F₂) は有毒ゆうどくドラフトどらふとあつか
  • HF (フッ水素すいそ) は重度じゅうどのやけど + 全身ぜんしん中毒ちゅうどく のおそれ、 高校こうこうではほとんどあつかわないが知識ちしきとして
  • えんしょく反応はんのう実験じっけん はガスバーナーの高温こうおん飛沫しぶき注意ちゅうい保護メガネほごめがね必須ひっす
  • 白金線はっきんせん塩酸えんさん (まれ) であらってから使つかう、 こぼした塩酸えんさんはすぐ

しょう: だい 3 しょうでは、 原子げんしどうしがどうむすびつくか = 化学結合かがくけつごうまなびます。 イオン結合イオンけつごう共有結合きょうゆうけつごう金属結合きんぞくけつごうの 3 種類しゅるい区別くべつし、 結晶けっしょう性質せいしつ (融点ゆうてん電気でんき伝導でんどうせいなど) とむすびつけます。 「電気陰性度でんきいんせいど」 が結合けつごう極性きょくせいめるカギになります。

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