理系の雑学・豆知識

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物質を構成する粒子

 物質を構成する粒子には、原子・イオン・分子がある。これらの粒子が集まって物質となる。

1)原子

 物質を構成する基本的な成分を元素といい、元素は元素記号によって表された。ここで学習する原子は、元素の実際の姿である。原子は粒子の状態であり、物質を構成する基本的な粒子であるといえる。すなわち、元素といった場合はその種類をさし、原子といった場合はその元素の実際の姿(粒子)のことをいう。



2)原子の構造

原子は原子核と電子から構成されている。原子核はさらに陽子と中性子からできている。陽子は電気的に正(+)に、電子は負(-)に荷電した粒子で、中性子は±0の粒子である。原子は原子核を中心として、電子はその周りに陽子の数と同じだけ存在する。つまり、原子全体では電気的に中性である。

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 また、原子核に含まれる陽子の数は、それぞれの元素に固有のものである。つまり、陽子の数によって、その原子が何原子なのかが分かる。そこで、この陽子の数をその原子の原子番号と呼ぶ。その他、陽子数と中性子数の和はその原子の重さを決定する(電子は陽子・中性子に比べてかなり軽いさいので無視できる)ので、その原子の質量数という。これを表すときは、元素記号の左上に質量数を、左下に原子番号をつけて表す。

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3)同位体

原子番号が同じで、原子核内の質量数が異なるものを互いに同位体またはアイソトープという。つまり同じ種類の原子でも中性子が異なることなるものが存在するということ。同位体の化学的性質は非常によく似ていて、それぞれの元素は多くの場合、何種類かの同位体が一定の割合で混じって存在する。 など同位体が存在しない元素もある。 
 同位体の中には不安定なものもあり、放射線を出して別の原子に変わっていくものがある。これを放射性同位体またはラジオアイソトープという。放射性同位体は放射線を出しているので、これらを目印にして体内での薬物の移動を調べることができる。また、放射線は細胞や遺伝子に影響を与えるので、農作物の品種改良や医療では放射線治療に用いられる。その他、放射性同位体の14Cは生きている生物体では、常に体内外の物質の出入りが行われているので一定の量含まれる。しかし、死んだ生物体では物質の出入りがないので、14Cは少しずつ減っていく。そのため死んだ生物体の14Cの量を調べれば、その生物が死んだ年代が分かる。

 



4)電子配置

 原子の構造は陽子と中性子からなる原子核を中心として、そのまわりに電子が存在していた。この電子はいくつかの層に分かれて存在している。この層を電子殻という。電子殻は原子核から近いものからK殻,L殻,M殻,・・・と呼ばれている。

1つの電子殻に入りうる電子の最大数は決まっている。内側の電子殻からK,L,M,・・・となるが、これをn=1,2,3,・・・と対応させた場合、それぞれの電子殻には最大で2n個の電子が入る。

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次に原子番号1~20の原子の電子配置を見てみる(下表)。

K殻には電子は2個まで入るので、HとHeにはK殻しか存在しない。

Li~10NeはK殻に2個の電子が入り、これでK殻がいっぱいになるので、残りはL殻へ入っていく。

11Na以降はL殻が電子8個までしか入らないので、さらに外側の電子殻へと入っていく。

ここで、M殻は最大で電子が18個まで入るが19Kと20CaはM殻に8個電子が入って残りはN殻に入っている。これは、この状態が安定なためで、このように電子は電子殻の容量を満たさないまま次の殻に入っていくこともある(18Arまでは普通に考えてよい)。

また、最大の電子数で満たされている電子殻を閉殻といい、閉殻の状態の電子殻は安定である。

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希ガス元素の電子配置

周期表の最も右側の縦の並びである18族(He,10Ne,18Ar,36Cr,56Xe,86Rn)は希ガスといわれ、化学的に非常に安定で、他の原子と反応したりすることはほとんどない。これらの原子の電子配置には共通の特徴が見られる。

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 上に希ガス元素の電子配置を示した。これを見ると、He以外は最外殻電子が全て8個である。Heの場合K殻(最大で電子を2個収容)なので8にはならない。希ガス元素は化学的に安定という事実から、最外殻電子が8個という条件が化学的安定につながるといえる。この最外殻の電子が8個の状態をオクテッドという。

ポイント:安定な電子配置

最外殻電子が8個の状態(K殻しかないものは2個)

5)価電子

 原子が他の原子と反応するときは最外殻の電子が関与する。内側の殻の電子は外側の殻に覆われた形になるので、内側の殻の電子は反応にはほとんど関与しない。そのため最外殻の電子がその原子の性質を示すことになる。この最外殻の電子をその原子の価電子という。最外殻電子の数が1~7のときは、そのまま価電子数1~7という。しかし最外殻電子が8(K殻しかないものは2)の場合は先に説明したように、ほとんど反応しないので、荷電子数は0(ゼロ)とする。また、周期表上で同じ族(縦の並び)の原子は価電子が同じになる。

6)周期表と元素の性質(元素の周期律)

 

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周期表の横の並びを周期、縦の並びを族という。 元素には原子番号という通し番号がついていて、横の並びは原子番号の順になっている。 同じ族の元素は、性質が似ているので、それぞれの族が1つのグループになっている(3族~11族は例外)。そのため、縦の順番で覚えることも重要。特に1,2,17,18族にはそれぞれアルカリ金属,アルカリ土類金属,ハロゲン,希ガスという名前(グループ名)がついている。

青線で囲んだ部分を遷移元素、それ以外を典型元素という。また、ピンクの部分は、すべて、非金属元素、それ以外は金属元素である。

 

常温での単体の状態 

単体が常温で液体のもの : Br,Hg

   単体が常温で気体のもの : 希ガス,F,Cl,O,N,H

  単体が常温で固体のもの : 上記以外の元素の単体

周期表と元素の性質

イオン化エネルギー(詳細は後で学習)

原子から、電子を取り去って陽イオンにするのに必要なエネルギー。周期表で右上にあるもの程大きい。つまり、右上にあるもの程、陰性が強く、陽イオンになりにくい(陰イオンになりやすい)。逆にいえば、左下にあるもの程、陽性が強い(陽イオンになりやすい)。

 

電気陰性度(詳細は後で学習)

原子が共有結合する際の共有電子を引きつける力の度合い。希ガスを除いて周期表で右上にあるもの程大きい。


元素の周期律

元素の性質は原子番号とともに周期的に変化している。これを元素の周期律という。