原子の構造

原子の構成要素

すべての原子には、3種類の粒子があります。

陽子: 正の電気を帯びていて、原子核(中心)にあります

中性子: 電気を帯びていなくて、やはり原子核にあります

電子: 負の電気を帯びていて、電子雲の中で原子核のまわりを回っています

原子核は、原子全体にくらべるととても小さいものです。もし原子がサッカースタジアムの大きさなら、原子核はピッチの中央に置いたビー玉ほどになります。電子は、スタンドの上のほうをぶんぶん飛びまわる小さな虫のようなものです。

ここで大切な事実があります。陽子の数が、その原子がどの元素かを決めます。 この数を原子番号と呼びます。

水素の原子はすべて、陽子をちょうど1個持ちます。炭素の原子はすべて、ちょうど6個です。金の原子はすべて、ちょうど79個です。

陽子の数を変えれば、元素そのものが変わります。

元素を決めるものは何か

金の陽子は79個、鉄の陽子は26個です。見た目も手触りもふるまいも違います。

それでも、どちらも陽子・中性子・電子が集まってできているだけです。

メンデレーエフの地図

科学で最も強力なカンニングペーパー

1869年、ロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフは見事な発想を実現しました。既知の元素をカードに書き、原子量順に並べたのです。

彼は、似た性質を持つ元素が一定の間隔で現れることに気づきました。これが周期的なパターンです。

彼は元素を行(周期) & 列(族)からなる表に並べました。

天才的な一手は、メンデレーエフが空欄を残したことです。まだ見つかっていない元素がその空欄を埋めると予測し、その予測は当たりました。ガリウムとゲルマニウムが数年後に発見され、彼の予測とほぼ完全に一致したのです。

周期(行): 各行は、新しい電子殻が満たされていくことを表します。

族(縦の列):同じ列の元素は外側の電子の数が同じです。だから性質もよく似ています。

周期表は大きく、金属(左側と中央:光沢があり、電気を通し、延ばして加工できる)、非金属(右上:気体ともろい固体)、半金属(階段状の線に沿った元素:両方の性質をもつ)に分かれます。

そして、いちばん右の列には貴ガス(希ガス)がいます。ヘリウム、ネオン、アルゴンです。外側の電子殻が満員なので、ほとんど何とも反応しません。周期表の一匹狼です。

周期表のパターン

リチウム、ナトリウム、カリウムは、どれも周期表の1族に並んでいます。3つとも柔らかい金属で、水と激しく反応します。

フッ素、塩素、臭素は、どれも17族に並んでいます。3つとも反応性の高い非金属で、ほかの原子から電子を奪うのが大好きです。

原子はどうやってつながるのか

原子が結合する理由

ほとんどの原子は、単独では安定しません。貴ガスのように、最も外側の電子殻を電子で満たしたいのです。

そこへ近づくために、原子は主に2つの方法で他の原子と結合します。

イオン結合：一方の原子が、もう一方の原子へ電子を受け渡します。

食塩(NaCl)が代表的な例です。ナトリウムは最外殻に電子を1個もち、それを手放したがっています。塩素は最外殻に電子を7個もち、あと1個ほしがっています。ナトリウムが電子を塩素に渡すと、両方の原子の最外殻が満たされます。ただし、ナトリウムは電子を失ったので正の電荷を帯び、塩素は電子を得たので負の電荷を帯びます。反対の電荷は引き合い、2つの原子はしっかり結びつきます。

共有結合: 原子どうしが電子を共有します。

水(H₂O)がこの仕組みです。酸素はあと2個の電子を必要とします。水素はそれぞれ1個ずつ共有できます。そこで酸素は2つの水素と電子を共有します。誰も何も手放しません。みんなで協力します。

イオン化合物は結晶をつくり、水に溶けやすい傾向があります。共有結合の化合物は分子をつくる傾向があります。H₂OやCO₂のような、独立した単位です。

塩が溶ける理由

塩の結晶をコップの水に落とすと、姿が消えます。固体が崩れて、ナトリウムイオンと塩化物イオンが水中に広がります。

これは水が極性分子だからです。酸素の側はわずかにマイナスで、水素の側はわずかにプラスです。

反応とは何か

反応物が生成物になる

化学反応は、原子が結合を組み替えて新しい物質をつくるときに起こります。

出発点となる物質を反応物と呼びます。結果としてできる物質を生成物と呼びます。

絶対の決まりが一つあります。化学反応で原子が生まれたり消えたりすることはありません。 これを質量保存の法則と呼びます。入った原子はすべて出てきます。ただ、並び方が変わるだけです。

反応には、発熱反応(エネルギーを放出する: 火、爆発、携帯カイロ)と吸熱反応(エネルギーを吸収する: 冷却パック、光合成、卵を加熱して固める調理)があります。

化学はどこにでもあります:

- さび: 鉄 + 酸素 → 酸化鉄。ゆっくり進み、発熱します。

- 燃焼: 燃料 + 酸素 → 二酸化炭素 + 水。速く進み、大量に発熱します。

- 光合成: 二酸化炭素 + 水 + 日光 → グルコース + 酸素。吸熱反応です。植物は太陽のエネルギーを化学結合に蓄えます。

これらはどれも、原子が古い結合を切り、新しい結合をつくっているだけです。

さびの化学

古い車や道具、釘にさびがついているのを見たことがあるでしょう。さびはゆっくりできますが、れっきとした化学反応です。

化学反応式は次のとおりです: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

これは、鉄原子4個が酸素分子3個と反応して、酸化鉄(さび)2単位ができることを表します。

あなたの暮らしの中の化学

あなたは化学の実験室の中で暮らしています

化学はビーカーの中だけで起こるものではありません。あなたのまわりで、いつも起こっています。

料理: 肉に焼き色をつけたり、パンをトーストしたりするとき、起こっているのはメイラード反応です。アミノ酸と糖が組み替わって、何百種類もの新しい風味成分が生まれます。

医療: すべての薬は、体内の特定の受容体にぴったり合うように設計された分子です。鍵穴に合う鍵のようなものです。

材料: あなたがいま読んでいる画面が存在するのは、化学者が液晶、半導体、& ポリマーフィルムの作り方を見つけたからです。

電池: スマートフォンはリチウムイオン化学で動いています。リチウム原子が電極のあいだで電子を行き来させているのです。

あなたの体: 今この瞬間も、細胞の中で酵素が毎秒何千もの化学反応を触媒しています。食べ物を分解し、タンパク質を組み立て、DNAを複製しています。

あらゆる物質、あらゆる薬、あらゆる技術は、原子が結合を作ることにたどり着きます。

あなたの番です

化学を身近な世界につなげよう

これで、原子・元素・結合・反応について学びました。物がどこから来て、なぜそのように振る舞うのかを説明する言葉を身につけています。