アイキャッチ画像はリチウム原子。陽子が3個、中性子が4個、電子が3個で中性の原子。37Liと表記(厳密には7の真下に3がくる)。

原子と分子についてkumaとnomiが語るよ!

kuma
今日は原子について話そうと思う。
nomi
物質を構成する基本となる粒子を原子というんでしょ。英語ではatom。
kuma
もともと、atomはtom(切る)に否定の接頭語のaがついたもの、つまり、それ以上分けられないものを意味するんだ。
nomi
それ以上分けられないとは言っても、原子は分割・破壊が可能ですよね。現在では、少なくとも陽子、中性子、電子に分けられることが知られています。また、クォークとかいうものもあるみたいだし。
kuma
話がややこしくなるからクォークの話はここではやめておこう。原子は正の電荷を帯びた原子核とそのまわりにある負の電気を帯びた電子とで構成され、原子全体としては電気的に中性だ。
nomi
原子は球状で、直径がおよそ100億分の1メートル(10-10メートル、0.1ナノメートル、1オングストローム)で、原子核は直径約10-15〜10-14 mといわれていますね。
kuma
そうだ。原子を東京ドームに例えると、原子核は直径約2 mmのビーズ玉に相当するんだ。
nomi
原子を約2億倍するとテニスボールの大きさになり、さらに約2億倍すると地球になるんですよね。
kuma
そう。次は原子番号について話そうか。
nomi
原子核は陽子と中性子で構成されていて、陽子の数が原子番号ですね。そして、原子核に含まれる陽子の数は、元素ごとに決まっているので、同じ元素の原子は同じ原子番号をもつんですよね。
kuma
そう、陽子の数と中性子の数の和がその原子の質量数である。同じ元素でも、質量数の異なるものが存在する。これを同位体というんだ。
nomi
陽子1個の質量は1.673×10-24 g、中性子1個の質量は1.675×10-24 g、電子1個の質量は9.109×10-28 gで、陽子と中性子の質量は電子の質量の約1840倍です。
kuma
おー、よく勉強しているな。電子の質量は陽子や中性子と比べると無視できるほど小さいため、原子の質量は、原子核だけの質量に等しいとみなしていいんだ。また、原子の質量は質量数にほぼ比例している。原子番号は元素記号の左下に、質量数は左上に付記するが、しばしば省略される。同位体を区別するときは、元素記号の左肩に質量数を付記する。
nomi
陽子と電子は電荷をもち、それらの電気量の大きさは電気素量eを基本単位として、陽子場合は+1、電子の場合は−1で表わされるんですよね。
kuma
電気素量は素電荷ともよばれ、1.6022×10-28 Cである。中性子は電気を帯びていない粒子であり、その電荷は0である。もし、中性子が電子を1個放出すれば+1の電荷をもつ陽子となる。
nomi
イオン化していない原子の原子核を取り巻く電子の数は、原子番号(陽子の数)と等しい。このとき、原子全体としての電荷は0であり、電気的に中性である。
kuma
また、原子核と電子は反対の符号の電荷をもつため引力が働き、電子同士は負電荷どうしで反発する。
nomi
一般に電荷を帯びた2つの粒子間に作用する力は、両者の電荷の積に比例し、距離の2乗に反比例する。これをクーロンの法則といい、作用する力をクーロン力という。
kuma
陽子数(原子番号)が同じであっても、中性子の数が異なる原子がある。原子の化学的性質は、原子核の正電荷と原子核のまわりにある電子の挙動で決まるため、原子核に含まれる中性子の数にはほとんど依存しない。最外殻電子の数が同じであれば化学的性質は似ている。このため、同位体の化学的性質は互いによく似ている。
nomi
原子番号が同じであっても、性質が異なるものが存在するんですね。でも、最外殻電子の数が同じであれば化学的性質は似ているんですよね。
kuma
次は原子量と物質量についてだ。まずは相対質量と原子量から。
nomi
原子量って何ですか?
kuma
原子の質量は質量数(陽子と中性子の合計の数)にほぼ比例するから、質量数にほぼ等しい相対的な質量を用いると都合がよい。そこで、炭素の同位体の1つである質量数12の炭素原子12Cの質量を基準とし、これを12にして、各原子の相対質量を表すという方法が、国際的に定められて用いられているんだ。12C原子の1/12の質量には統一原子質量単位(u)あるいはダルトン(Da)という単位が与えられている。1u = 1Da = 1.6605 × 10-24gである。原子量は原子1個の質量の原子質量単位に対する比なので、12Cの原子量は12で、12Cの質量は12Daまたは12uである。周期表に記載してある原子量は、同位体の存在割合も考慮して算出した平均の原子量で、原子量は相対値だから単位はない。わかった?
nomi
よくわかんな〜い。
kuma
つぎに物質量とモルについて話すぞ。ついてこいよ。粒子の個数に着目して表した物質の量を物質量といい、モル(mol)という単位をつけるんだ。これは、質量数12の炭素原子12Cが12gあるとき、そこに含まれる12C原子の数が6.022 × 1023個であることに基づいているんだ。1molあたり6.022 × 1023個というのを6.022 × 1023mol-1と表記し、これをアボガドロ定数といって、これと同数の粒子の集団を1モル(1mol)という。例えば、炭素原子12Cの1個の質量はきわめて小さく、1.9926 × 10-23gである。この質量は非常に小さく扱いにくい。そこで、12Cが6.022 × 1023個集まったもの(1mol)として考えれば、その質量は1.9926 × 10-23g × 6.022 × 1023 = 12.00gとなり、12Cの原子量12にgをつけた重さと等しくなるため扱いやすくなる。物質1molあたりの質量をモル質量(単位:g/mol)というので覚えておこう。
nomi
もう勘弁してください。
kuma
しょうがないな。今日はこのぐらいで勘弁しといてやろう。