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  • 投稿カテゴリー:科学
  • 投稿の最終変更日:2020年6月23日

原子について

原子の大きさ

原子の大きさは約1×10-10~5×10-10mである。原子核の大きさは1×10-15mである。

原子の大きさ

原子の構造

原子は物質を構成する 最小単位である。原子は、原子核である陽子・中性子と、原子核の周りを高速で移動する電子によって構成されている。陽子は電気的に+であり、電子は-である。中性子は中性である。原子は、陽子と電子の数が等しく、電気的に中性である。

原子

原子番号

陽子の数を原子番号と呼ぶ。

原子番号
1:H、2:He、3:Li…と陽子の数が増えていくhttp://www.homemate.co.jp/

原子の質量

電子は非常に小さな粒子であるため、殆ど質量がない。例えば、陽子の質量を1とすると、中性子は1、電子は1/1840である。そのため、原子の質量は陽子と中性子の数によって決まる。陽子の数と中性子の数を足したものを質量数と呼ぶ。

表示の仕方

元素記号の左上に質量数、左下に原子番号を表示する。

原子番号
原子番号・質量数の表記http://chem.seesaa.net/

陽子と電子の電気量

陽子と電子がそれぞれ持つ電気量は値は等しく1.602×10-19C(電気素量)である。電気量とは、その名の通り電気(電荷)の量と考えて良い。電気量の単位はC(クーロン)である。

電気素量 (でんきそりょう、英: elementary charge)は、電気量の単位となる物理定数である。陽子あるいは陽電子1個の電荷に等しく、電子の電荷の符号を変えた量に等しい。
https://ja.wikipedia.org/wiki/

同位体・放射性同位体

同位体

同位体とは、陽子の数が同じ(原子番号が同じ)であっても、中性子の数が異なる原子のことである。つまり、質量数(陽子+中性子の個数)が異なるが、化学的性質はそこまで変わらない。

同位体

放射性同位体(ラジオアイトープ)

放射性同位体とは放射線を出す同位体である。原子核が不安定なため、壊変(崩壊)して他の元素の原子に変化する。 

放射線同位体
壊変(崩壊)するのが特徴http://www.nendai.nagoya-u.ac.jp/

半減期

放射線同位体の数が半減するために必要な期間を半減期と呼ぶ。14Cが10個が5個に減るには5730年かかることがわかっている。それぞれの放射線同位体によって半減期は異なる。

半減期

放射線同位体の利用

がん治療、品種改良、年代測定、様々な科学実験に使用される。 

がん治療

ガンマ線とベータ線は放射性同位元素から発生するが、その他は直線加速器などで人工的に発生させて使用する。http://home.nms.ac.jp/page/442.html 

C14
生きている生物中の炭素14の濃度はほぼ一定であることを利用して、その生物が死んでからどれくらいの時間が経過したかを調べる。http://autostop.exblog.jp/page/5/

壊変

壊変にはα壊変、β壊変、γ壊変がある。

α壊変

α線(ヘリウムの原子核)が放射線として放出される。そのため、陽子・中性子が2個ずつ(計4個)減り、質量数が4減少する。

α

β壊変

β線(電子)が放射線として放出される。中性子が陽子と電子に変化するため、原子番号が1増加し、質量数は変化しない。

β

γ壊変

γ線(高エネルギーの電磁波)が放射線として放出される。原子番号・質量数共に変化しない。

γ
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電子配列

電子殻

電子は電子殻と呼ばれる軌道上に配置されている。電子殻は内側から順に、K殻、L殻、M殻、N殻と呼ばれている。外側に行けば行くほどエネルギーが高い。

電子殻

最大電子数

それぞれの電子殻の電子の最大収容数は、2n2(nは内側から何番目の殻か)で求めることができる。 L殻であれば、内側から数えて2番めなのでn=2を代入すると、2×22=8、つまり8個まで電子が入ることがわかる。

電子数

電子配置

エネルギーの低いK殻から順に電子は配置されていく。電子が最大電子数まで埋まっている殻は閉殻と呼ぶ。

周期表
電子数が増えていくにつれ、内側から順に埋まっていくhttp://kagakumania.seesaa.net/

価電子

価電子とは

価電子とは最も外側の電子殻にある電子のこと。最も外側にあるため、他の原子と接触することによって様々な反応を起こす。

価電子

価電子と化学的性質

価電子の個数は、その原子がどのような性質を持つかを決定する重要な要因である。そのため、価電子の個数が同じであれば、その原子は非常によく似た性質を持つ。 

下の表を見てみると、縦の列で価電子の数が同じである。つまり、縦列の原子は似た性質を持っている。一番右列(18族)の原子は、最外殻電子の数が8個となっている。原子は最外殻電子の数が8個であると安定するという性質を持つため、18族の原子は他の原子と結合しない。そのため、18族の価電子数は0となっている。

オクテット則(-そく、Octet rule):原子の最外殻電子の数が8個あると化合物やイオンが安定に存在するという経験則。

周期表
縦列の価電子数が同じhttp://kagakumania.seesaa.net/
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電子式

電子式とは

最外殻電子(価電子)を点で元素記号の周囲に書いたもの。点はなるべくどの面にも均等になるように書く。電子式を書くと何個の価電子を持っているのかがすぐわかる。

lewis-dot-structure-examples

電子対・不対電子対

価電子は2個でワンセットである。2つセットになっているもの(対になっているもの)を電子対と呼ぶ。電子対は安定しており、結合にはあまり関与しない。一方、対になっていないものを不対電子と呼ぶ。不対電子は1つ足りない状態なので、他の不対電子と電子対を作って結合したりする。

電子対不対電子
電子対と不対電子http://www.rainbow-chaser.info/

周期律と周期表

周期律

元素を原子番号順に並べていくと、周期的に性質が変化する。これを元素の周期律と呼ぶ。第1イオン化エネルギーは、原子番号2He、原子番号10Ne、原子番号18Arが著しく高く、周期的である。また、原子半径は、原子番号3Li、原子番号11Na、原子番号19Kが著しく大きく、周期的である。

イオン化エネルギー
第1イオン化エネルギーの周期律https://upload.wikimedia.org/

周期表

原子番号順に元素を並べ、周期律に基づいて性質の似た元素が縦列に並ぶようにした表を周期表と呼ぶ。 縦の列をと呼び、同族ならば価電子数が同じであり性質が似ている。横の行を周期という。同周期ならば、使用している電子殻が同じである。

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典型元素・遷移元素

典型元素

1、2、12~18族の元素を典型元素と呼ぶ。典型元素は原子番号が増えるに伴って価電子の数が増加するという典型的な(普通の)元素である。そのため、族が同じである同族元素は、性質が類似する。単体の密度は小さく、化合物は無色のものが多いのも特徴である。

典型元素

オレンジ色の元素が典型元素http://www.chem.tsukuba.ac.jp/

 酸化アルミニウム

典型元素で構成されている酸化アルミニウム(無色)http://jptopic.org/

遷移元素

3~11族の元素を遷移元素と呼ぶ。元素原子番号が増えても価電子の数が増えるわけでもなく、1~2の価電子を持つ元素が多い。そのため、族(縦列)ではなく、周期(横列)で性質が類似している。単体の密度は大きく、化合物は有色のものが多いのも特徴である。遷移元素はすべてが金属元素である。

 典型元素
青色の元素が遷移元素http://www.chem.tsukuba.ac.jp/

金属元素・非金属元素

金属元素

単体で金属になるものを金属元素と呼ぶ。金属元素は電子を放出して陽イオンになりやすい。この性質を陽性が強いという。

陽イオン
最外殻電子を失うと陽イオンになるhttps://www.ck12.org/

非金属元素

単体は分子になるものを非金属元素と呼ぶ。非金属元素は電子を放出して陰イオンになりやすい。 この性質を陰性が強いという。

陰イオン
電子を得ると陰イオンになるhttps://www.ck12.org/

周期表上での性質

典型元素

原子半径

周期表の左下にいけばいくほど原子半径が大きくなる。価電子が多くなると、+と-で引き合って原子半径が小さくなるためである。一方、価電子が原子核から遠く、個数も少ないと、引力が足りずに広がった状態となる。

第一イオン化エネルギー

第一イオン化エネルギーとは、原子から電子を一つ取るのに必要なエネルギーである。周期表の右上に行けば行くほど、第一イオン化エネルギーは大きくなる。価電子が多くなると、+と-で引き合う力が強くなるためである。一方、価電子が原子核から遠く、個数も少ないとすぐに取り外すことができる。

金属性(陽性)

金属性とは陽イオンになりやすさである。周期表の左下にいけばいくほど、陽イオンになりやすい。これは、最外殻電子が原子核から離れているためである。 

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