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第 2 章 で は、 中学 で 学んだ 「原子 は それ 以上分けられない」 を 一歩 ふみこえ、 「原子 の 中 は どう なって いる か」 を 学び ます。 原子 の 内部 を 知る こと で、 「なぜ 周期表 は あの 形 を し て いる か」 「なぜ Na と K は にた 性質 を 示す か」 と いう 化学 の 根本的 な 問い に 答え られる よう に なります。
ポイント: 化学 の 性質 (反応 の しやすさ・イオン の 価数・結合 の 種類) は ほぼ すべて 電子 の ふるまい で 決まります。 とくに いちばん 外側 の 電子 = 価電子 が 主役 です。
原子 は とても 小さい もの で、 直径 は おおよそ 10⁻¹⁰ m (= 0.1 nm) で す。 1 円玉 に 並 べる と 1 億個 で 1 cm 程度 です。
| 物 | 大き さ の 目安 |
|---|---|
| 1 円玉 の 直径 | 2 × 10⁻² m (2 cm) |
| 髪 の 毛 の 太 さ | 約 10⁻⁴ m |
| 細菌 | 約 10⁻⁶ m |
| ウイルス | 約 10⁻⁷ m |
| 分子 (水 H₂O) | 約 3 × 10⁻¹⁰ m |
| 原子 | 約 10⁻¹⁰ m |
| 原子核 | 約 10⁻¹⁵ m (原子 の 1 万分 の 1) |
ポイント: 原子 の ほとんど の 体積 は 電子 が 動く すきま で す。 もし 原子全体 を 東京 ドーム の 大き さ に 例える と、 原子核 は ピンポン 球 1 個 くらい の 大き さ です。
原子 は 中心 の 原子核 と、 そ の まわり を 取り巻く 電子 で でき て います。 原子核 は さら に 陽子 と 中性子 から なります。
| 構成粒子 | 記号 | 電気 | 質量 (相対値、 陽子 = 1) | 場所 |
|---|---|---|---|---|
| **[[陽子 | ようし]]** | p (proton) | +1 (正電荷) | 1 |
| **[[中性子 | ちゅうせいし]]** | n (neutron) | 0 (なし) | 1 |
| **[[電子 | でんし]]** | e⁻ (electron) | −1 (負電荷) | 約 1 / 1840 |
原子 が 電気的 に 中性 (電荷 = 0) で ある と き、 陽子 の 数 = 電子 の 数 です。
| 原子 | 陽子 | 中性子 | 電子 |
|---|---|---|---|
| 水素 ¹H | 1 | 0 | 1 |
| ヘリウム ⁴He | 2 | 2 | 2 |
| 炭素 ¹²C | 6 | 6 | 6 |
| 窒素 ¹⁴N | 7 | 7 | 7 |
| 酸素 ¹⁶O | 8 | 8 | 8 |
| ナトリウム ²³Na | 11 | 12 | 11 |
| 塩素 ³⁵Cl | 17 | 18 | 17 |
| 鉄 ⁵⁶Fe | 26 | 30 | 26 |
| 用語 | 定義 |
|---|---|
| **[[原子番号 | げんしばんごう]]** Z |
| **[[質量数 | しつりょうすう]]** A |
| 中性子 の 数 | A − Z |
原子 を 表す とき、 元素記号 の 左下 に 原子番号、 左上 に 質量数 を 書きます。
| 表記 | 意味 |
|---|---|
| ₁²H や ²H | 質量数 2 の 水素 (= 重水素 D) |
| ₆¹²C や ¹²C | 質量数 12 の 炭素 |
| ₁₇³⁵Cl | 質量数 35 の 塩素 |
周期表 は 原子番号 の 順 に 元素 を 並べた もの で す。 1 番 が 水素 H、 2 番 が ヘリウム He、 3 番 が リチウム Li …… と 続きます。
| 番号 | 元素 | 記号 |
|---|---|---|
| 1 | 水素 | H |
| 2 | ヘリウム | He |
| 3 | リチウム | Li |
| 4 | ベリリウム | Be |
| 5 | ホウ素 | B |
| 6 | 炭素 | C |
| 7 | 窒素 | N |
| 8 | 酸素 | O |
| 9 | フッ素 | F |
| 10 | ネオン | Ne |
| 11 | ナトリウム | Na |
| 12 | マグネシウム | Mg |
| 17 | 塩素 | Cl |
| 18 | アルゴン | Ar |
| 20 | カルシウム | Ca |
| 26 | 鉄 | Fe |
| 29 | 銅 | Cu |
| 47 | 銀 | Ag |
| 79 | 金 | Au |
大事: 高校化学 で は 少なくとも 原子番号 1 〜 20 ま で の 元素 を 順 に 言える よう に し ま しょう。 「水兵 リーベ ぼ く の 船 …」 など の ご ろ あ わせ が 有名 です。
同じ 元素 (= 同じ 原子番号) で あり ながら、 中性子 の 数 が ちがう (= 質量数 が ちがう) もの ど うし を 同位体 (アイソトープ) と 呼びます。
| 元素 | 同位体 の 例 | 陽子 | 中性子 | 質量数 |
|---|---|---|---|---|
| 水素 | ¹H (軽水素) | 1 | 0 | 1 |
| 水素 | ²H (重水素 D) | 1 | 1 | 2 |
| 水素 | ³H (三重水素 T、 [[放射性 | ほうしゃせい]]) | 1 | 2 |
| 炭素 | ¹²C | 6 | 6 | 12 |
| 炭素 | ¹³C | 6 | 7 | 13 |
| 炭素 | ¹⁴C ([[放射性 | ほうしゃせい]]、 年代測定 に 使う) | 6 | 8 |
| 塩素 | ³⁵Cl | 17 | 18 | 35 |
| 塩素 | ³⁷Cl | 17 | 20 | 37 |
同位体 の 中 に は、 原子核 が ふあんてい で 放射線 を 出 し て 別 の 元素 に 変わる もの が あります。 これ を 放射性同位体 (ラジオ アイソトープ) と 呼びます。
| 同位体 | 半減期 | 用途 |
|---|---|---|
| ¹⁴C | 5730 年 | 化石・遺物 の 年代測定 |
| ¹³¹I | 約 8 日 | 甲状腺 の 検査・治療 |
| ⁹⁹ᵐTc | 約 6 時間 | 体内検査 |
| ²³⁵U | 約 7 億年 | 原子力発電 |
ポイント: 同位体 は 化学的性質 が ほぼ 同じ (= 反応 の しか た が 同じ) です。 質量 だけ が ちがう ので、 物理的性質 (拡散速度 や 沸点 が わずか に 異なる) で 分け ます。
原子 の 質量 は あまりに も 小さい ため、 グラム で 表す と 不便 です。 そ こ で ¹²C (炭素 12) を 12 と し た 相対値 で 表します。 これ を 相対質量 と 呼び、 自然界 に 存在 する 同位体 の 存在比 で 加重平均 し た もの を 原子量 と 呼び ます。
| 元素 | 主 な 同位体 と 存在比 | 原子量 | |---|---|:---:| | 水素 | ¹H 99.99 % + ²H 0.01 % | 約 1.0 | | 炭素 | ¹²C 98.9 % + ¹³C 1.1 % | 約 12.0 | | 塩素 | ³⁵Cl 75.8 % + ³⁷Cl 24.2 % | 約 35.5 | | 銅 | ⁶³Cu 69.2 % + ⁶⁵Cu 30.8 % | 約 63.5 |
塩素 の 計算例: 35 × 0.758 + 37 × 0.242 ≒ 35.5
原子核 の まわり の 電子 は、 きまった 電子殻 に 入って います。 内側 から 順 に K 殻、 L 殻、 M 殻、 N 殻 … と 名付け られ、 入る こと の できる 電子 の 最大数 が 決まって います。
| 電子殻 | 最大電子数 | 計算 (2n²) |
|---|---|---|
| K 殻 (n = 1) | 2 | 2 × 1² = 2 |
| L 殻 (n = 2) | 8 | 2 × 2² = 8 |
| M 殻 (n = 3) | 18 | 2 × 3² = 18 |
| N 殻 (n = 4) | 32 | 2 × 4² = 32 |
電子 は 原則 と し て 内側 の 殻 から 順 に 入り、 高校化学 で は 20 番 (Ca) ま で は 単純 に K → L → M → N の 順 で 考え ます (M 殻 は 8 個 で 一旦安定 し、 19 番 か ら N 殻 に 入る) 。
| 原子番号 | 元素 | K | L | M | N | 価電子 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | H | 1 | — | — | — | 1 |
| 2 | He | 2 | — | — | — | 0 (8 でなく 2 で 安定) |
| 3 | Li | 2 | 1 | — | — | 1 |
| 4 | Be | 2 | 2 | — | — | 2 |
| 5 | B | 2 | 3 | — | — | 3 |
| 6 | C | 2 | 4 | — | — | 4 |
| 7 | N | 2 | 5 | — | — | 5 |
| 8 | O | 2 | 6 | — | — | 6 |
| 9 | F | 2 | 7 | — | — | 7 |
| 10 | Ne | 2 | 8 | — | — | 0 |
| 11 | Na | 2 | 8 | 1 | — | 1 |
| 12 | Mg | 2 | 8 | 2 | — | 2 |
| 13 | Al | 2 | 8 | 3 | — | 3 |
| 14 | Si | 2 | 8 | 4 | — | 4 |
| 15 | P | 2 | 8 | 5 | — | 5 |
| 16 | S | 2 | 8 | 6 | — | 6 |
| 17 | Cl | 2 | 8 | 7 | — | 7 |
| 18 | Ar | 2 | 8 | 8 | — | 0 |
| 19 | K | 2 | 8 | 8 | 1 | 1 |
| 20 | Ca | 2 | 8 | 8 | 2 | 2 |
いちばん 外側 の 電子殻 (= 最外殻) に 入って いる 電子 を 価電子 と 呼び ます (希ガス は 化学反応 を ほとんど し ない の で 価電子 0)。 価電子 の 数 が 元素 の 化学的性質 を 決めます。
| 価電子 | 性質 | 例 |
|---|---|---|
| 1 | +1 価 の [[陽イオン | ひイオン]] に なり やすい (1 個失う) |
| 2 | +2 価 の [[陽イオン | ひイオン]] に なり やすい (2 個失う) |
| 3 | +3 価 の [[陽イオン | ひイオン]] に なり やすい |
| 6 | −2 価 の [[陰イオン | かげイオン]] に なり やすい (2 個 もらう) |
| 7 | −1 価 の [[陰イオン | かげイオン]] に なり やすい (1 個 もらう) |
| 0 (8 個 で 安定) | 反応 し に くい | He、 Ne、 Ar、 Kr (希ガス) |
大事: 元素 が 「どんな イオン に なる か」 「ど ん な 結合 を 作る か」 は ほぼ 価電子 の 数 で 決ま ります。 周期表 で 同じ 列 に ある 元素 は 価電子 の 数 が 同じ で、 性質 が に て います。
He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe、 Rn を 希ガス (貴ガス・18 族 元素) と 呼び ます。 こ れ ら は 最外殻 が 電子 8 個 (He は 2 個) で 完全 に 埋ま って いて、 化学的 に 非常 に 安定 (反応 し に くい) です。
ほか の 元素 が イオン に なった り 共有結合 を 作った り する の は、 「希ガス と 同じ 電子配置 に なる ため」 と 説明 できます。 これ を オクテット則 (8 個 で 安定) と 呼び ます。
周期表 は、 元素 を 原子番号 の 順 に 並べ て、 性質 が に た もの ど うし が 同 じ 列 に 来る よう に 作 ら れた 表 です。 1869 年 に メンデレーエフ が 最初 の 形 を 発表 しました。
| 族 | 名前 | 主 な 元素 | 性質 |
|---|---|---|---|
| 1 | **[[アルカリ金属 | アルカリきんぞく]]** (H を 除く) | Li、 Na、 K、 Rb、 Cs |
| 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 含めない 立場 が 多い) |
| 17 | ハロゲン | F、 Cl、 Br、 I | 価電子 7、 −1 価 イオン、 強い [[酸化作用 |
| 18 | **[[希ガス | きガス]]** ([[貴ガス | きガス]]) |
| 区分 | 族 | 性質 |
|---|---|---|
| **[[典型元素 | てんけいげんそ]]** | 1、 2、 13 〜 18 族 |
| **[[遷移元素 | せんいげんそ]]** | 3 〜 12 族 |
周期表 を 大きく 見る と、 左下 が 金属、 右上 が 非金属 に 分かれ ます。 境目 に ある B、 Si、 Ge、 As、 Sb、 Te は 半金属 (半導体) と 呼ばれ、 シリコン Si は IC チップ の 主役 です。
| 区分 | 性質 |
|---|---|
| [[金属 | きんぞく]] |
| [[非金属 | ひきんぞく]] |
元素 を 原子番号 の 順 に 並べる と、 性質 が 周期的 に くりかえ し て あらわれる こと を 周期律 と 呼びます。 これ は 電子配置 (とくに 価電子 の 数) が 周期的 に くりかえす こと が 原因 です。
| 物理量 | 周期内 (左 → 右) | 族内 (上 → 下) |
|---|---|---|
| **[[原子半径 | げんしはんけい]]** | 小 さく なる (核 の 引力 が 強 まる) |
| **[[イオン化エネルギー | いおんかエネルギー]]** | 大き く なる (電子 を 取り 除き に く く なる) |
| **[[電子親和力 | でんししんわりょく]]** | 大き く なる (電子 を 受け 取り やすく なる) |
| **[[電気陰性度 | でんきいんせいど]]** | 大き く なる (Cl > S > P > Si > Al > Mg > Na) |
| 金属性 | 弱まる | 強まる |
イオン化エネルギー と は、 「気体 の 原子 から 電子 を 1 個取り 除いて 陽イオン に する の に 必要 な エネルギー」 で す。
| 元素 | イオン化 エネルギー の 大き さ |
|---|---|
| 希ガス (Ne、 Ar) | 非常 に 大き い (電子 を 取り 除き に く い) |
| アルカリ 金属 (Na、 K) | 小 さ い (電子 を 取り 除き やすい) |
ポイント: Na の 1 番目 の 電子 は K 殻 や L 殻 ではなく M 殻 に 1 個 だ け あって、 核 か ら 遠 い ため 引力 が 弱く、 簡単 に 取れて Na⁺ に なり ます。 これ が 1 族 (アルカリ 金属) の 反応性 が 高 い 理由 で す。
電気陰性度 と は、 「原子 が 共有結合 の 電子 を 引き寄せる 強 さ」 を 表す 値 です (ポーリング の 値)。 第 3 章 の 極性 で 重要 に なります。
| 元素 | 電気陰性度 |
|---|---|
| F | 4.0 (最大) |
| O | 3.5 |
| N | 3.0 |
| Cl | 3.0 |
| C | 2.5 |
| H | 2.1 |
| Na | 0.9 (小さい) |
周期表 が 読 め る と、 まだ 学んで い ない 反応 で も 「だ いた い こう 反応 す る だろう」 と 予想 できる よう に なります。
| 元素 の 組合せ | 予想 さ れる 反応 / 化合物 |
|---|---|
| 1 族 の 金属 (Na 等) + 17 族 (Cl 等) | NaCl、 KBr の よう な イオン 結合 (1 + 1 = 中性) |
| 2 族 (Ca 等) + 17 族 (Cl 等) | CaCl₂、 MgBr₂ (2 + 1 + 1) |
| 2 族 (Ca 等) + 16 族 (O 等) | CaO、 MgS (2 + 2) |
| 13 族 (Al) + 17 族 (Cl 等) | AlCl₃ (3 + 1 × 3) |
| 14 族 (C、 Si) | C₊H₄ や Si₊O₂ など 4 結合 |
| 分かる こと | 周期表 の どこ を 見る |
|---|---|
| 元素 が 何価 の イオン に なる か | 族 (1 族 → +1、 2 族 → +2、 17 族 → −1、 16 族 → −2) |
| 電子配置 | 周期 (n) と 族 (価電子) の 組合せ |
| 金属 か 非金属 か | 左下 か 右上 か |
| 反応 し に く い か | 18 族 (希ガス) は ほぼ 反応 しない |
周期表 の 元素 の 中 に は 強 い 反応性・毒性 を 持 つ もの が 多 く あります。 高校化学 で 直接扱う こと は 少ない です が、 知識 と し て 押 さえ ま しょう。
| 元素 | 危険性 | 注意 |
|---|---|---|
| Na、 K (アルカリ 金属) | 水 と 激しく 反応 し 水素 H₂ を 発生、 発火・爆発 | 灯油中 に 保存、 素手 で さわら ない |
| F₂、 Cl₂ (ハロゲン) | 強 い [[酸化作用 | さんかさよう]]、 有毒 な ガス |
| Hg (水銀) | 蒸気 が 有毒 | こぼし たら 直 ちに 回収 |
| Pb (鉛) | 神経系 に 影響 | 子 ど も の 誤食注意 |
| 放射性同位体 (²³⁵U、 ¹³¹I) | [[放射線 | ほうしゃせん]] |
第 1 章 と 同じ ですが、 周期表・電子配置 の 実験 (炎色反応等) で も 守る こと:
次 の 章: 第 3 章 で は、 原子 ど うし が どう 結 び つく か = 化学結合 を 学び ます。 イオン結合・共有結合・金属結合 の 3 種類 を 区別 し、 結晶 の 性質 (融点・電気伝導性 な ど) と 結 び つけ ます。 「電気陰性度」 が 結合 の 極性 を 決める カギ に なります。