読者です 読者をやめる 読者になる 読者になる

Life + Chemistry

化学の講義録+大学を楽しく面白い学びの場に変える試みの記録 (北里大学・野島 高彦)

医療工学科の化学講義(4)原子の構造その1

医療工2011

連休前に学んだエネルギーについての考え方を利用して,原子のしくみにせまりました.

雨の1限には遅刻者が増えます.

●雨の日の相模原は嫌いです.

●雨の日ははやめに学校に行こうと思います.

●相模原駅発バス30分待ちました.今後気をつけます!!今日も分かりやすかったです!!

●今日は雨が降っていて授業に少し遅れてしまった.すいません!!

そして眠い人もいます.

●睡魔に勝ちました.

●あまりに眠たかった.もう少し頑張って集中したい.

前回の講義に対する質問コメント感想その他いろいろの紹介

前回の講義録に記してあります.

原子のしくみ

キーワード
陽子,中性子,電子,原子核,質量数,同位体(アイソトープ),元素記号,原子番号,電子配置,エネルギー準位,エネルギー殻,電子殻,価電子,最外殻基底状態,励起状態

原子を解体すると原子核と電子になります.原子核はさらに陽子と中性子に解体できます.化学の解体作業はここで止め.

原子核を構成する陽子はプラスの電荷を持った粒子です.中性子は陽子とほとんど同じ質量を持った粒子ですが,電荷は持っていません.原子の質量は原子核の質量と考えて構いません.なぜなら,電子の質量は極一部にすぎないからです*1.そこで,原子の質量を比べるときには,陽子あるいは中性子で数えて何個分に相当するかを考えると便利です.陽子の数と中性子の数をあわせたものを,質量数と呼びます.

さて,1種類の元素の中に,質量数の異なる原子が混ざっている場合があります.例えばヘリウムの場合,中性子を1個持つものと2個持つものとが存在します.どちらもヘリウムだし,陽子を2個持つし,化学的な性質もほとんど同じなのですが,質量が異なります.そこで,この2種類のヘリウムを区別する呼び方が必要になってきます.中性子を1個持つものを32He,中性子を2個持つものを42Heとかき分けて区別します.両者は互いに同位体(アイソトープ)の関係にあります.

ここで,上付数字が質量数,下付数字が原子番号(=陽子の数=電子の数),そしてHeはヘリウムという元素をあらわす元素記号です.

元素記号は大文字アルファベット1文字か,またはそれに小文字アルファベット1文字を加えた2文字で表されます.現在,113番目まで名前が割り当てられています.

●陽イオンや陰イオン,電子親和力について高校ではただ暗記していただけで良くわからなかったけど,今回具体的なイメージと共に理解できた.

●原子についてよくわかった.

●「原子の構造」は高校でやったのを覚えていたので,わりとスムーズに理解できました.

●原子の並び方に意味があると知って驚きました.おもしろかったです.

電子のレイアウト

原子核のまわりを,陽子と同じ数の電子が取り巻いています.そこにはレイアウトの規則性が見られます.まず,太陽のまわりを回る惑星をイメージしてみましょう.太陽が原子核,惑星の回る軌道が電子を収める空間です.電子を収める場所をエネルギー準位,エネルギー殻,電子殻,などと呼びます.内側から順にK殻,L殻,M殻,・・・,と並んでいます.電子はK殻から順にレイアウトされて行きます.それは,原子核に近い電子殻ほど位置エネルギーが小さいからです.K殻には電子が2個,L殻には8個,M殻には18個,という具合に,それぞれの電子殻には2n2個の電子を収めることができます.

最も外側の電子殻に収まっている電子は,その原子の化学的な性質を支配します.そこで最も外側の電子殻,すなわち最外殻に存在する電子を価電子という名前で呼びます.

基底状態と励起状態

原子にエネルギーを与えると,原子はそのエネルギーを使って何通りかの仕事をします.その一つが,最も外側の電子殻に存在する電子を,もう一つ外側の電子殻に持ち上げる,という仕事です.このような状態になった原子は,高いエネルギーを抱え込んでいます.この状態を励起状態と呼びます.励起状態よりは元の状態の方が安定なので,エネルギーが与えられなくなれば,電子は元の電子殻に戻ります.その際に,位置エネルギーを失います.失われた位置エネルギーは何らかのかたちで原子の外に放出されます.例えば光として放出される場合があります.

●基底状態と励起状態のことを初めて知りました.

●サイリウムの原理を初めて知りました.身近なところに意外な技術が使われていてビックリしました.

●サイリウムなどの光るしくみがわかり,とてもおもしろかった.

●自分であの光るものをつくりたい.光の色の違いがエネルギーと関係あるとはびっくりしました.

イオン

キーワード
イオン化エネルギー,陽イオン,カチオン,陰イオン,アニオン

価電子を外側の電子殻に移すために必要なエネルギーよりも大きなエネルギーを原子に与えたらどうなるでしょうか.もう一つ外側の電子殻まで電子が追いやられるかもしれません.さらに大きなエネルギーを与えたらどうなるでしょうか.電子は完全に原子核から離れてしまうことでしょう.このように,原子から電子を1個取り去るために必要なエネルギーをイオン化エネルギーと呼びます.

電子を取り除かれた原子は,原子ではなく,陽イオン(カチオン)と呼ばれる状態になります.負電荷を持つ電子が1個取り除かれた後は正電荷が残ります.このことを,例えばナトリウムNaの場合は次のように記します.

Na → Na+ + e-

一方,電子を原子に与えた場合にはどうなるでしょうか.電子を1個獲得することによってエネルギーの面で安定な状態になる場合,原子からはエネルギーが放たれます.これが電子親和力と呼ばれるエネルギーです*2.電子を1個受け取って安定な状態になった原子は,原子ではなく,陰イオン(アニオン)と呼ばれる状態になります.負電荷を持つようになります.このことを,例えば塩素Clでは次のように記します.

Cl + e- → Cl-

●イオンになるしくみがわかってよかった.

●今日も分かりやすかったです! 陽イオン,陰イオンになるのにエネルギーが必要なのかそれともエネルギーを放出しているのか良くわかっていなかったけど,きちんと頭の中で整理がつきました.

周期表の基礎

キーワード
周期律,周期表,族,周期,典型元素,遷移元素

原子番号順に元素を並べて行くと,原子の性質に周期性がみられるようになります.たとえば原子の体積,電気伝導度,熱伝導度,など.こうした性質がわかるように,適当な場所で改行して折りたたんで表にしたものが原子の周期表です.縦が属,横が周期と呼ばれます.例えば水素とヘリウムは第1周期,リチウムからネオンまでが第2周期.

これに対して,水素,リチウム,ナトリウム,カリウム,ルビジウム,セシウム,フランシウム,を1族,と呼びます.

周期表の意味を理解するために,全体をグループ分けしてみる方法が何通りかあります.

その一つが,典型元素と遷移元素(遷移金属元素)に分けて考える方法です.

典型元素では,周期表の同じ属に含まれるものどうしが化学的に似た性質を示すようになります.

例えが水素を除く1族は全て柔らかく水と激しく反応する金属です.

17族はハロゲン元素と呼ばれる非金属で,生物に有害な物質です.18族の希ガスは化学的に安定で化学反応することはほとんどない気体です.

遷移元素は同じ族の中だけではなく,原子番号が隣り合ったものどうしも似た性質を示します.産業に役立っている重要な金属が多数ここに含まれているのですが,この化学講義ではほとんど取り扱いません.

計算問題

電子の質量を計算する割算

●はじめて1人でできましたー!!!家ですうっと計算問題した成果です!もう泣ける.

●指数にどうしても自信がない.当たっているのか.

●単位を覚えないようにしっかり勉強する.

●単位変更に慣れて行きたい

●単位に引っかかりそうになったので気をつけます.

●今日は高校でやった範囲だったからまだわかった.計算問題で桁がややこしかった.

質問

●ハロゲンは身体に良くないのならハロゲンヒーターは身体によくないのですか?

ハロゲンはランプの中に封入されているから大丈夫です.

●物質の炎色反応も今回の講義の基底状態が関係している現象ですか?

そのとおり.熱エネルギーで金属の電子が励起され,そこから基底状態に戻るときに放出されるエネルギーが光になっています.

次回予告

周期律の続きをやった後に,原子の結合に進みます.

ホームワーク

教科書の「原子の結合」を読んでおくこと.

その他

●高校で物理をやっていなかったので,前回はつらかったが,今回はまだ大丈夫だ.

●高校の物理の先生となんか似ていておもしろい.大事なところは色つけないですか?

●たのしかった

●今日もおもしろかったです

●化学大好き‥☆

●嫌いなはずの化学がすごく楽しいです.

●毎回授業の後半にやるプロジェクター使ったミニ講義が楽しみです.,もちろん授業も楽しいです.

●高校でのことを復習しつつ,新しいことを学べていい授業だと思いました.

●高校の時にこんな授業を受けたかった.そしたら化学を苦手にならなかった気がする.

●カチオンという言葉の響きが何だかよい.

●身の周りの自然現象を化学の視点から説明してもらっておもしろかったです.他にも自然現象を説明してもらえると授業が楽しみになると思います.

●なかなか難しいけどわかりやすかったです.

●要習と重なる部分だったが,今までの知識をより深められた.

●覚えることがたくさんあって大変

●電球の中が希ガスでなければいけない理由は今まで知らなかったので驚いた

●今はプールのあと,目を洗わないのが主流みたいです.洗うとむしろよくないとかっていう話らしいです.

そうなのか.知らなかった.

リンク

www.tnojima.net
www.tnojima.net

*1:計算問題ネタ

*2:エネルギーなのに力という和名がついていてややこしいです.