電子・陽子・中性子
すべてのものは原子でできています。昔の人は、原子はこれ以上こわせないと考えていました。その後、科学者は原子の中にもっと小さい粒を見つけました。
- 電子(e⁻)：1897年にJ・J・トムソンが発見しました。電荷は−1。とても軽く、陽子の質量の約1/1836です。原子核の外を動きます。
- 陽子(p⁺)：陽極線の研究から見つかりました(E・ゴールドシュタイン、1886年)。電荷は+1。質量は約1 uです。
- 中性子(n)：1932年にJ・チャドウィックが発見しました。電荷はありません。質量は約1 uで、陽子よりほんの少し重いです。ふつうの水素以外のすべての原子に中性子があります。
原子では陽子の数と電子の数が同じです。+と−の電荷が打ち消し合うので、原子全体は電気を帯びません(中性です)。
原子のモデル：トムソン、ラザフォード、ボーア
トムソンのモデル
トムソンは、原子はプラスの電気を持つ球で、その中に電子がうまっていると考えました。スイカの種のようなイメージです。プラスとマイナスの電気は同じ量なので、原子は中性です。問題点：ラザフォードの実験結果を説明できませんでした。
ラザフォードのアルファ粒子の実験
ラザフォードは、速いアルファ粒子(ヘリウムの原子核、電荷+2)を、とても薄い金はくに当てました。そして3つのことを見つけました。
- ほとんどのアルファ粒子はまっすぐ通り抜けた。だから、原子の大部分は空っぽの空間である。
- 一部は小さな角度で曲がった。だから、原子の中にアルファ粒子を押しのけるプラスの電気がある。
- ごくわずか(約12,000個に1個)がまっすぐはね返った。だから、プラスの電気とほとんどすべての質量は、とても小さな中心、原子核に集まっている。
彼のモデルは、小さなプラスの原子核のまわりを、惑星が太陽のまわりを回るように電子が回るというものです。原子核は原子の約10万分の1の大きさです。問題点：円を描いて動く電気を持つ粒は、エネルギーを失って原子核に落ちるはずです。それでは原子は安定しません。でも実際には安定しています。
ボーアのモデル
ニールス・ボーアはこの問題を解決しました。電子は決まった軌道、つまり殻(エネルギー準位)の中だけを動けると考えたのです。殻の中にいる間、電子はエネルギーを失いません。殻は内側から順にK、L、M、N(またはn = 1, 2, 3, 4)と呼びます。
K・L・M・N殻：電子の並び方
最初の20元素に使うルール(ボーア・ブリーの方式)です。
- n番目の殻には最大で2n²個の電子が入ります。K殻(n=1)は2、L殻(n=2)は8、M殻(n=3)は18、N殻(n=4)は32です。
- いちばん外側の殻には8個より多くは入りません。
- 内側の殻から先にうまります。ひとつ前の殻がいっぱいになってから、次の殻が始まります(最初の20元素の場合)。
例：炭素(6)＝2, 4。ナトリウム(11)＝2, 8, 1。塩素(17)＝2, 8, 7。カルシウム(20)＝2, 8, 8, 2。3Dのステップ4を開いて、ナトリウムの殻が1つずつうまる様子を見てみましょう。
原子価・原子番号・質量数
原子価
いちばん外側の殻にある電子を価電子といいます。原子は外側の殻をいっぱいにしたがります(8個、ヘリウムは2個)。これをオクテットといいます。ネオンやアルゴンのように外側の殻がいっぱいの原子は反応しないので、原子価は0です。
原子価＝原子の結びつく力＝外側の殻をいっぱいにするために、電子を何個あげる、もらう、または共有するか、という数です。
- 外側の電子が1〜4個のとき：原子価＝外側の電子の数。ナトリウム(2, 8, 1)→1。マグネシウム(2, 8, 2)→2。
- 外側の電子が5〜7個のとき：原子価＝8−外側の電子の数。酸素(2, 6)→8−6＝2。塩素(2, 8, 7)→1。
原子番号(Z)
原子核の中の陽子の数です。これで元素が決まります。どの炭素原子もZ＝6です。中性の原子では、電子の数＝Zです。
質量数(A)
陽子と中性子をまとめて核子といいます。質量数＝陽子＋中性子。だから中性子の数＝A−Zです。原子は ₆¹²C のように書きます。上にA、下にZを書きます。
同位体と同重体
同位体
同じ元素(Zが同じ)で、質量数がちがう(中性子の数がちがう)原子です。水素には3種類あります。プロチウム ¹H(中性子0個)、重水素 ²H(中性子1個)、三重水素 ³H(中性子2個)。塩素には ³⁵Cl と ³⁷Cl があります。
同位体は電子の数が同じなので、化学的な性質は同じです。質量がちがうので、一部の物理的な性質はちがいます。
塩素の質量が35.5 uなのはなぜ？自然界では、塩素原子の約4分の3が ³⁵Cl、約4分の1が ³⁷Cl です。平均＝35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 uです。
利用：ウラン235は原子炉の燃料に、コバルト60はがんの治療に、ヨウ素131は甲状腺の病気の治療に、炭素14は古いものの年代を調べるのに使われます。
同重体
ちがう元素(Zがちがう)で、質量数が同じ原子です。例：⁴⁰₁₈Ar と ⁴⁰₂₀Ca。電子の数がちがうので、化学的な性質もちがいます。
やってみよう：家で原子を作る
3色の小さなものを用意します。赤いビーズ(陽子)、黒い豆(中性子)、黄色い粒(電子)です。紙にK、L、M用の円を3つかきましょう。
- 元素を1つ選びます。たとえば酸素：Z＝8、A＝16。
- 真ん中に赤を8個、黒を16−8＝8個置きます。
- 黄色を8個、円の上に置きます。K殻に2個、L殻に6個です。
- 原子価を予想します(8−6＝2)。3Dの最後のステップで酸素16を選んで確かめましょう。
次に、黒い豆を2個増やしてみましょう。同位体のできあがりです！赤の数が変わっていないので、元素は変わりません。
重要な公式と用語
- 原子番号 Z = 陽子の数 = 電子の数(中性の原子)
- 質量数 A = 陽子 + 中性子
- 中性子の数 = A − Z
- n番目の殻の最大電子数 = 2n²(K 2、L 8、M 18、N 32)
- 原子価 = 外側の電子の数(1〜4個のとき)、または 8 − 外側の電子の数(5〜7個のとき)
- 平均原子量 = (同位体の質量 × 存在比)の合計
例題
1. ある原子は陽子が9個、中性子が10個です。Z、A、電子の数を求めましょう。
ステップ1：Z＝陽子の数＝9。ステップ2：A＝9 + 10 = 19。ステップ3：中性の原子なので、電子＝9。これはフッ素です。
2. 酸素(Z = 8)の電子配置を書き、原子価を求めましょう。
ステップ1：K殻に2個入り、残りは6個。ステップ2：L殻に6個入る。だから2, 6。ステップ3：外側の電子は6個で、4個より多い。原子価＝8 − 6 = 2。
3. マグネシウムはZ = 12、A = 24です。中性子の数、電子配置、原子価を求めましょう。
中性子の数＝24 − 12 = 12。電子配置：K 2、L 8、M 2 → 2, 8, 2。外側の電子は2個なので、原子価＝2。
4. 塩素はZ = 17です。原子価がなぜ7ではなく1なのでしょう。
電子配置は2, 8, 7。あと1個電子をもらえば8個になります。7個手放すより1個もらうほうが簡単なので、原子価＝8 − 7 = 1。
5. 同位体の組と同重体の組はどれですか。¹²₆C、¹⁴₆C、⁴⁰₁₈Ar、⁴⁰₂₀Ca。
¹²C と ¹⁴C：Zが同じ(6)でAがちがう → 同位体。⁴⁰Ar と ⁴⁰Ca：Aが同じ(40)でZがちがう → 同重体。
6. 元素Xには2つの同位体があります。¹⁶X(90%)と ¹⁸X(10%)です。平均原子量を求めましょう。
平均＝16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u。
7. ラザフォードの実験で、はね返ったアルファ粒子がごくわずかだったのはなぜですか。
小さな原子核のすぐ近くまで来たアルファ粒子だけが、そのプラスの電気から強い力を受けます。原子核はとても小さいので、そこまで近づく粒子はほとんどありません。だから、はね返った粒子はごくわずかでした。
よくある間違い
- 原子番号と質量数をまちがえる。Zは陽子だけの数、Aは陽子と中性子の合計です。
- 塩素の原子価を7と書く。外側の電子が5〜7個のときは、原子価＝8 − 外側の電子の数です。
- 同位体は陽子の数がちがうと思う。同位体は中性子だけがちがい、同重体は陽子の数がちがいます。
- カリウムのM殻に18個入れてしまう。最初の20元素では外側の殻は最大8個なので、Kは2, 8, 8, 1です。