「私がこれから論じようとする系は，等しい質量をもつ多数の粒子が円周上に等間隔に配列されており，互いに距離の２乗に反比例するクーロン力で反発しあっている。この円の中心には質量の大きな一つの粒子（陽電荷球）があり，まわりの粒子をクーロンの法則に従って引きつけている。もしもこれらの反発しあっている粒子が，引きつけられている中心の粒子のまわりを，ほぼ等しい速さで回転し，中心引力が十分に大きいならば，この系は一般に小さい撹乱に対して安定性をたもつであろう。」
長岡半太郎 Philosophical Magazine, 6 ,7,445(1904) 物理学古典論文叢書10（東海大学出版会）p.31の八木江里訳より
５－１ 原子の構造
歴史
| 1897 電子の発見 トムソン 1903 土星型原子模型の提唱 長岡半太郎 1911 原子構造の提唱 ラザフォード 1913 水素原子模型の提唱 N.ボーア 1932 中性子の発見 チャドウィック |
| 1660 元素の定義 ボイル 1803 原子説の提唱 ドルトン 1913 粒子による原子核壊変の実験 ラザフォード 1931 重水素の発見 ユーリー 1935 中間子理論の提唱 湯川秀樹 |
原子と元素
原子の種類を元素という。元素には元素記号というものがあって，一つの元素に一つの記号があった。この記号は原子を表すのにも使われる。そのときこの記号は，原子記号と呼ばれる。
元素記号として既に約20個学習したが，ここでは更によく使われるものについて覚えることにしよう。
問い１ 元素記号（原子記号）を記せ。
クロム（ ） マンガン（ ） 鉄（ ）
コバルト（ ） 銅（ ） 亜鉛（ ）
ゲルマニウム（ ）臭素（ ） クリプトン（ ）
銀（ ） カドミウム（ ） スズ（ ）
ヨウ素（ ） キセノン（ ） ストロンチウム（ ）
バリウム（ ） タングステン（ ）白金（ ）
金（ ） 水銀（ ） 鉛（ ） ポロニウム（ ） ラドン（ ） ウラン（ ） プルトニウム （ ） 問い２ 元素名（原子名）を記せ。
Ｆｅ（ ） Ｎｅ（ ） Ｐｔ（ ） Ａｕ（ ） Ｈｇ（ ） Ｗ （ ） Ｎａ（ ） Ｂａ（ ） Ｎｉ（ ） (10) Ｃｌ（ ） (11) Ｓ（ ） (12) Ｕ （ ） (13) Ｐ（ ） (14) Ｓｎ（ ）
原子の構造
| ドルトンの原子説では原子はそれ以上小さくすることはできないものとして提案されたが，いまでは原子はさらにそれを構成する小さな粒子からできているということがわかっている。 すなわち，原子は正の電荷を帯びた原子核とそのまわりを動きまわっている電子とからできている。電子は負の電荷を帯びており，原子核とつりあっているので，原子は電気的には中性である。 さらに原子核は正の電荷を帯びた陽子と電気的に中性な中性子とからできている。陽子一つのもつ電荷と電子一つがもつ電荷とは符号が逆で値は同じである。したがってまた，原子が電気的に中性であることから，原子の中の陽子の数と電子の数が等しいことがわかる。電子は原子核の周りを電子は回っている。 クーロン力の向心力である。 |
陽子は
、電子は
の電荷を帯びている。この
は電気素量 (
クーロン)と呼ばれる。
、電子はの電荷を帯びている。このは電気素量 ( クーロン)と呼ばれる。これらのことを整理してみると次の図のようになる。
| 電荷 質量比 陽子 ＋ｅ 1836 中性子 ±０ 1840 電子 －ｅ 1 |
ｅ- 電子……負の電荷を帯びている。原子核のまわりを運動。
ｎ 中性子…電気を帯びていない。質量は陽子とほぼ等しい。
原子番号≡陽子数＝電子数 質量数＝陽子数＋中性子数
| 質量 | 電荷 | |
| 陽子 | 1.673 × 10-24 ｇ | 1.602 × 10-19 クーロン* |
| 中性子 | 1.675 × 10-24 ｇ | 0 クーロン |
| 電子 | 9.109 × 10-28 ｇ | －1.602 × 10-19 クーロン |
表記 ① ③
① 質量数 ② ④
② 原子番号
③ アラビア数字と＋－の記号でイオンの価数
④ 原子の数
①－②＝中性子数
①～④の数値は必要に応じてつける。
問い３ 原子番号がＺである原子の中性子の数をＮとするとき，質量数Ａは，ＺとＮによってどのように表されるか。また，陽子１個の電荷を＋ｅとすると，この原子核の総電荷はどのように表されるか。
問い４ 23Na，37Cl，127Ｉの各原子核中の中性子の数はそれぞれいくらか。ま た，原子番号の増加につれて，中性子と陽子の数の比はどのように変わっていくか。
●●● 実験 ナトリウムと水素 ●●●
目的 ナトリウム原子，水素原子の単体である金属ナトリウムと水素の性質を調べる。
準備 試験管，ゴム栓，マッチ，ピンセット，ろ紙，カッター，ナトリウム
試験管立て，蒸留水
方法1. 米粒大のナトリウムを半分に切り，切った直後の表面を観察する。さらに，その後の表面の変化についても観察する。 （切った直後） （数秒後）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2. 試験管に蒸留水を5 とり，1.で切ったナトリウムをピンセットで試験管内 に入れ，素早くゴム栓を逆さにしてのせて発生する気体を集める。
（反応のようす） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3. 集めた気体に点火したマッチを近づける。（試験管にマッチの先を差し込む ようにする。）
（結果） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
問い５ 次の表を埋めよ。ただし，原子の構造には次の関係がある。
原子番号＝陽子数＝電子数 ，質量数＝陽子数＋中性子数
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・
１ ・ ２ ・ ３ ・ ４ ・ ５ ・ ６ ・ ７ ・ ８ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ４ ・ ５ ・ ・ ・ ７ ・ ８ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ １ ・ ４ ・ ・ ・ １１・ １２・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ９ １０ １５ Ｎａ １１ １３ １６ １０ １１ １４ １６ １２ １４ ２０ ２３ ２８ ３２ フッ素 硫黄 １７ ２１ ２９ Ｃｕ Ａｕ １８ ２２ ６１ １１８ ２０ ７９ ３９ ４０ ４５ ６４ １０８ 塩素 銀
５－２ 同位体
同位体……同じ元素の原子で質量の異なるものを互いに同位体という。同位体 では陽子の数は同じであるが，中性子の数は異なる。 同位体の化学的性質は同じである。 1910年 放射性崩壊の研究がすすむにつれて化学的性質は同じではあるが質量数の異なる原子が発見され，ソディはこれを周期表の同じ位置を占める元素であることから同位元素となづけた。初めは同位元素は放射性元素だけに存在すると考えられたが，1912年にJ.J.トムソンがネオンの放射性でない２種の同位元素を発見して以来同位元素は放射性元素に限らないことが明らかになった。 水素原子以外は同一元素の同位体を区別する名前はない。したがって，原子記号の左上に書く質量数で区別する。 水素 3Ｈ 三重水素（トリチウム） 1Ｈ 水素 2Ｈ 二重水素（デューテリウム） 他のもの（例） 14Ｃ 炭素14 238Ｕ ウラン238 12Ｃ 炭素12 235Ｕ ウラン235 同位体は化学的性質が同じである。したがって化学的方法で分離できない。物理的方法で分離する。例えば遠心分離法。 同位体の中には放射能を持つものがあり，これを放射性同位体（ラジオアイソトープ）という。
●●● 実験 同位体 ●●● （教師）
準備 ビーカー，氷，重水で作った氷，メートルグラス2，駒込ピペット ガラス棒，ピンセット，蒸留水，電子天秤
方法1. ビーカーに氷水を入れて全体をよくかきまぜる。氷が浮いていなければ，さらに追加 しておく。次にこの氷水の中に重水の氷を１塊ピンセットで挟んで投 入する。 （観察）［普通の水からできた氷，重水からできた氷の位置はどのようになっているか］
2. 電子天秤の上にメートルグラスをのせ，風袋消去ボタンを押して目盛りを０ にする。このメートルグラスに洗ビンから蒸留水を18ml注ぎ，質量を測る。 蒸留水18 の質量……（ ）ｇ
3. 重水についても2.と同様にして18mlの質量を測る。 重水18mlの質量……（ ）ｇ 考察1. 重水の密度を計算せよ。
2. 重水を電気分解して重水素原子だけからなる水素分子を発生させたい。電気 抵抗を小さくするために加える電解質としてはどのようなものがよいか。
問い６ 天然に同位体の存在しない元素の元素記号を記せ。
問い７ 水素のおもな同位体には，1Ｈと2Ｈがあることから，水素分子には質量の異なるものが何種類存在すると考えられるか。 また，酸素の同位体を質量数が16,17,18の３種類とすると質量の異なる水は何種類存在すると考えられるか。
問い８ 原子番号18番のアルゴンには、36Ar,38Ar,40Arの３種の同位体がある。各同位体について、次の数値を記せ。
原子番号 質量数 原子核中の陽子の数 原子核中の中性子の数
５－３ イオン 物質の構成粒子 原子 分子 イオン 陽イオン……正の電荷を帯びる 陰イオン……負の電荷を帯びる 化学式 分子式…… 組成式……NaCl,Ca(OH)2
イオン式…… 単原子イオン……Na+,Cl- 多原子イオン……NH4+,SO42-
陽イオン……原子から電子が失ったものを陽イオンという。
陰イオン……原子にさらに電子がくっついたものを陰イオンという。
イオンはイオン記号で表す。 陽イオンは原子記号の右肩へ＋をつける。例 Na+ ,K
電子が2個失われたものを2価の陽イオンといい右肩へ2+をつける。Mg2+，
陰イオンは右肩へ－をつける。2価のものは2-をつける。Cl- ,O2-
おもな陽イオンと名称 H+ ( ) Li+ ( )Be2+( ) Na+ ( )Mg2+( ) Al3+( )K+ ( ) Ca2+( )Fe2+( ) Fe3+( )Cu+ ( ) Cu2+( )Sn2+( ) Sn4+( )Ag+ ( ) Zn+2( )NH4+( )
おもな陰イオンとその名称O2- ( ) F- ( )S2- ( ) Cl- ( )Br- ( ) I- ( ) OH- ( ) SO42- ( )NO3-( ) PO43- ( )
問い９ 次の陽イオンと陰イオンの名称と，それらのイオンから生じる化合物の組成式と名称を記せ。
Cl- OH- O2- PO43- 塩化物イオン K+ KOH 酸化カリウム Ca2+ Al3+
●●●実験1 イオンの関与する反応 ●●●
目的 イオンの関与する反応について変化を観察し，あわせて変化をイオン式をもちいて記述する。
準備 試験管3，試験管立て，薬さじ，蒸留水 塩化ナトリウム，1mol/ 塩酸，0.1mol/ 硝酸銀水溶液，1mol/ 硫酸 0.1mol/ 塩化バリウム水溶液
方法1. 試験管に少量の食塩水を作り，これに少量の硝酸銀水溶液を加えて変化を観 察する。
2. 試験管に少量の塩酸をとり，これに少量の硝酸銀水溶液を加えて変化を観察 する。
3. 試験管に少量の塩化バリウム水溶液をとり，これに少量の硫酸を加えて変化 を観察する。
考察
1. 方法1.2.3.の変化をイオン式で表してみよう。
2. 考察1.でもちいたイオンの名前を記せ。
５ 原子の構造
５－１（ ）内に適当な語句を記せ。 原子の中心には（ ア ）の電気を帯びた原子核があり，そのまわりを（ イ ）の電気を帯びたいくつかの（ ウ ）がとりまいている。原子核は（ エ ）と（ オ ）からできていて，両者の和の数は（ カ ）と呼ばれ，（ キ ）の数は原子番号と呼ばれる。
５－２ 次の記述のうち誤っているものはどれか。 原子核内の中性子の数は，原子量からその原子に含まれる電子の数を差し引 いた値に等しい。 アンモニア１molに含まれる窒素原子の数は6.02×1023個である。 原子番号が違っていても質量数の等しい原子を同位体という。 金属イオンの価数は，その元素の原子番号からイオンのもつ全電子数を差し 引いた値に等しい。
５－３ 原子ＡがイオンＡ3+になったときの電子の数は，原子番号ｎの原子ＢがイオンB3-になったときの電子の数と同数であった。原子Ａの原子番号をｎを用いて表せ。
５－４ 同位体に関する次の記述のうち，正しいものはどれか。（ｱ） 質量数は等しいが，原子番号が異なり，化学的性質がよく似ている。 （ｲ） 質量数も原子番号も等しいが，化学的性質は異なる。（ｳ） 質量数は異なるが，原子番号が等しく，化学的性質もよく似ている。（ｴ） 質量数は異なるが，原子番号が等しく，化学的性質は異なる。
５－５ 炭素には12Cと13Cがある。次の各問いに答えよ。 12Cと13Cとは互いに何と呼ばれるか。 原子核を構成する中性子の数はそれぞれいくらか。 ５－６ 酸素には質量数が16,17,18の安定な同位体が存在する。次の項目について3種の同位体すべてについて同じものには○印を，それ以外のものには×印を つけよ。 原子番号 核外電子 陽子数 中性子数 ５ 原子の構造 ５－１ア 正 イ 負 ウ 電子 エオ 陽子、中性子 カ 質量数 キ 陽子
５－２ 解説： 質量数から陽子の数を差し引いたものが中性子の数である。 原子番号が同じで質量数の異なる原子を互いに同位体という。
５－３ ｘ-3＝n+3 ｘ＝n+6 ５－４ （ｳ） ５－５ 同位体 6,7
５－６ 〇 〇 〇 原子の構造２（電子配置） １５－１ （ ）には数値，語句を,[ ]には化学式を入れよ。
アルミニウム原子27Alは，原子核に陽子を（ ア ）個もっている。また最も内側の電子殻に（ イ ）個，次の電子殻に8個，最外殻に相当する（ ウ ）殻 に（ エ ）個の電子が配置されている。したがって，その電子式は[ オ ]と表される。アルミニウム原子が最外殻の電子をすべて放出すると[ カ ]と表されるイオンを生じる｡このイオンの電子配置は（ キ ）原子と同じ閉殻である｡このイオンと酸化物イオンO2-からできた化合物の化学式は[ ク ]と表される｡
１５－１ ア 13 イ 2 ウ M エ 3 オ Al カ Al3+ キ アルゴン Al2O3
１５－２ ～ は元素名で答え， は数字を記入せよ。 最外殻であるL殻が電子8個で満たされている原子は何か。 最外殻であるK殻が電子2個で満たされている原子は何か。 L殻に電子1個が存在している原子は何か。 ケイ素原子はM殻に何個の電子を持っているか。 塩素原子はL殻に何個の電子を持っているか。
１５－３ 次の原子の価電子の数を記し，電子式を記せ。 Li B N F S Mg
１５－４ 次の文の（ ）内に適当な語，数などを記しなさい。 価電子が1個か2個の原子は,それらを失って安定な希ガス型の電子配置となる｡したがって，1個失えば（①）価の（②）になり，2個失えば（③）価の（④）となる。また価電子が6個か7個の原子は，電子を2個か１個他からもらって，安定 な希ガス型の電子配置となる。したがって，2個もらえば,（⑤）価の（⑥）になり,1個もらえば,（⑦）価の（⑧）になる。 １５－４① 1 ② 陽イオン ③ 2 ④ 陽イオン ⑤ 2 ⑥ 陰イオン ⑦ 1 ⑧ 陽イオン
１５－６ 次の文中の（ ）内に適当な数値を入れよ。 原子番号17の塩素には質量数35のものがある。その原子核の陽子の数は（①）個，中性子の数は（②）個，原子核のまわりの全電子数は（③）個である。それらの電子はＫ殻に（④）個,L殻に（⑤）個,M殻に（⑥）個がそれぞれ配置されている。塩素原子が1価の陰イオンになったとき，最外殻の電子数は（⑦）個となる。塩素と同じ周期のナトリウム，ケイ素および硫黄の最外殻の電子数は，それぞれ（⑧）,（⑨）および（⑩）個である。
１５－６ ① 17 ② 18 ③ 17 ④ 2 ⑤ 8 ⑥ 7 ⑦ 8 ⑧ 1 ⑨ 4 ⑩ 6
１５－７ 次の文の（ ）の中に適当な語句，元素記号または数字を記せ。 2個の水素原子の間に力がはたらいて水素分子ができるときの様子を考えてみ る。2個の水素原子がしだいに接近してくると，ついには電子殻どうしに重なり ができる。そのとき，それぞれの原子の電子は重なりの部分で両原子核に引き付けられる。すなわち，2個の電子が対となって両方の原子に（①）されることに なり，2個の水素原子は（②）原子に似た電子配置となる。このように電子を共 有することによってできる化学結合を（③）といい，共有されている電子対を（④）という。完全に満たされていない最外殻にある電子は化学結合に重要な役割を果たしており，（⑤）といわれる。希ガスを除く（⑥）元素では最外殻の電子が（⑤）である。たとえば，水素のそれは1,炭素，窒素，酸素のそれらは（⑦）（⑧））⑨）である。
１５－７① 共有 ② ヘリウム ③ 共有結合 ④ 共有電子対 ⑤ 価電子⑥ 典型 ⑦ 4 ⑧ 5 ⑨ 6
目次
