テラのBR

元素
http://www.webelements.com
元素（element）：
身近に接している物質を構成している要素
ナトリウム
バリウム
いろいろな元素（s-Block）
典型元素（Typical Elements）
1803年 Daltonの原子説
ストロンチウム
銅（カッパｰ）
カリウム＋水
Ds
ナトリウム（Na）, Sodium
darmstadium 2003/8/16
原子番号は１１
1
Copyright: A.Asano
カルシウム（Ca）, Calcium
原子番号は２０
マグネシウム
2
Copyright: A.Asano
3
Copyright: A.Asano
いろいろな元素（p-Block）
いろいろな元素（d-Block）
いろいろな元素（f-Block）
典型元素（Typical Elements）
遷移元素（Zn, Cd, Hgを除く）
遷移元素（Transition Elements）
炭素（C）, Carbon
原子番号は６
沸点：-182.9℃ （90.2K）
（Transition Elements）
酸素（O）, Oxygen
水銀（Hg）, Mercury
原子番号は８
原子番号は８０
非金属は黄グループ（B, Al, Ga, Inなどは金属）
Copyright: A.Asano
4
Copyright: A.Asano
ガドリニウム（Gd）, Gadlinium
金（Au）, Gold
原子番号は６４
原子番号は７９
（貴）金属は赤グループ
ランタノイド系（Lanthanoids）
5
Copyright: A.Asano
ウラン（U）, Uranium
原子番号は９２
アクチノイド系（Actinoids）
6
1
http://www.nrlm.go.jp/
ＳＩ単位系（国際単位系）
質量（mass）と重さ（weight）
７つの独立した次元をもつ量
質量（mass）と重さ（weight）
質量： ［定義］国際原器を1 kg とする。
重さ： 質量と重力加速度の積
m ［メートル］、 kg ［キログラム］、 s ［秒］、 A ［アンペア］
1024
ヨタ
Y
10-1
d
1021
ゼタ
Z
10-2
c
1018
エクサ
E
10-3
m
1015
ペタ
P
10-6
1012
テラ
T
10-9
109
G
10-12
ピコ
p
106
M
10-15
フェムト
f
103
k
10-18
アト
a
h
10-21
ゼプト
z
da
10-24
ヨクト
y
102
ヘクト
101
デカ
化学で非常に
良く使われる。
重さ＝
原器用天秤
１） 重力質量（gravitational mass） ： kg原器との比較。
物理、天体など
では、この単位
も良く使われる。
8
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原子量とは何か？
＋
計量研究所で開発されたものを右図に示す。
1kgに対して0.1μg(10-10)の分解能を有する。
２） 慣性質量（inertial mass）： 運動している２つの物体が相互
に及ぼしあう加速度の逆比。力＝慣性質量×加速度。
原子（元素）記号 atomic symbol
（symbol of elements）の表示
Ｚ： 原子番号＝
直径、高さとも39mmの円柱形で白金90％イリジウム10％の合金
[kg m s-2]
でできている「国際キログラム原器の質量」を１ｋｇとした。
7
Q
1889年から
質量とは？
n
Ａ： 質量数 ＝
最大密度における蒸留水の質量」。
重さ w [kgf キログラム重]＝ 1 kg × 9.80665 m s-2
Copyright: A.Asano
A
Z
質量の単位「キログラム」
当初は「一辺が10cmの立方体の体積の
地球上では
K ［ケルビン］、 mol ［モル］、 cd ［カンデラ］
の数
の数
12C の質量は、およそ
陽子：
（6×1.6726＋6×1.6749＋
6×9.1094×10-4）×10-27 [kg]
1.6726×10-27 [kg]
中性子： 1.6749×10-27 [kg]
Ｑ： 元素記号
電子：
質量数： 質量を表しているの？ なぜ、
質量の数という名前なのでしょう？
9.1094×10-31 [kg]
12Cの質量は約20.0904
1Hの質量は約1.6735
＝20.09046×10-27 [kg]
炭素の原子量： 12×
12C
水素の原子量： 1.00782×
1H
倍以上軽いし、中性子は陽子とほぼ同じ質量。
Copyright: A.Asano
-27 [kg]、
6×10
-27 [kg]だから
1×10
実際には、自然界には若干の安定同位体が存在
するので、それらの天然存在比をかけ合わせた
加重平均を相対原子質量（原子量）として用いる。
基準を設けて、その倍数を質量の
代わりとして考えると、良い。
10
1962年以降
12Cの質量を厳密に１２とした時の相対値。
例： 1Hは陽子１つ、12Cは陽子６個 比較しづらいし、化学反応
などを議論するのに不便！
に中性子６個だから1Hを１とすれ
ば、12Cは約１２。電子は陽子に比べて1800
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9
Copyright: A.Asano
原子量＝相対原子質量
原子量＝相対原子質量 （relative atomic mass）
ー 単位（次元）がない数字 ー
静止質量
1) 刃と刃受けの接触状態を保ったまま分銅の交換ができる。
2) 操作者からの熱放射の影響を受けない遠隔操作型である。
3) 真空容器に格納され，空気密度や分子吸着量が測定できる。
11
Copyright: A.Asano
＋13.00335×
13C
＋2.0140×
2H
= 12.0111
精密には現在 12.0107
= 1.00797
精密には現在 1.00794
12
2
分子量とは何か？
モル（mol）（＝物質量, amount of substance）とは何か？
分子を構成している原子の原子量の総和
物質量： 単位を持つ数値で物理量
NaClのようなイオン化合物は独立した分子をつくらない。
（結晶として存在）このような物質の場合には式量と言う時もある。
物理量： 厳密に定められた単位と相対的な
量的関係を精密に測定可能な量
例： ホルムアルデヒド HCHO の分子量
Ｃ
Ｏ
原子量や分子量を１原子や１分子の質量と考えた時
（原子質量単位 amu で表す）、個々の原子や分子の
質量で物質の量を数えることが可能である。
30.0260
1 amu
HCHOの分子量は 2×1.0+12.0+16.0 = 30.0
昔は、
1g の
1H
27
原子の個数
16g の 16O 原子の個数
6.0221215×1023
/ mol
の原子を
kg （ g）になる
ように計ったときの原子の数と
同数の単位粒子を含む系の物質量。
単位粒子：原子、分子、イオン、電子など
14
Copyright: A.Asano
1 amu
15
Copyright: A.Asano
元素
http://www.webelements.com
元素（element）：
身近に接している物質を構成している要素
1803年 Daltonの原子説
12 g / mol
1
[g]
23
6.0221215 10 / mol 12
1.6605444 10 24 [ g ]
また、12Cの陽子、中性子、電子の静止質量から
1 amu
現在の定義に基づいた最も正確な値
Copyright: A.Asano
/ 12 1.6742 10
原子質量単位（amu）は 12C原子１個の質量
であるから、物質量の定義から、
12g の 12C 原子の個数
NA = 6.0221367×1023 / mol
NA =
27
補遺：原子質量単位
１ molの粒子数
定数と言って
おきながら、
微妙に変わって
きた。
20.0904 10
１ mol ：
[kg]
13
Copyright: A.Asano
Avogadro定数
独立した分子をつくる化合物（例えば水や酸素）も、
独立の分子を作らないイオン化合物（例えば塩の結晶）も、
１物質量（＝1 mol）を構成する分子の数は同数。
原子量（or 分子量）： 単位をもたない数値
2×1.00794+12.0107+15.9994 = 30.02598
Ｈ
Avogadroの仮説（気体）
同温同圧のもとで、同体積中に存在する
分子は一定数である。
24
/ 12 1.6742 10
24
Ds
[g]
darmstadium 2003/8/16
上記との差は、陽子と中性子の間に働く核結合力で
実際の質量が計算値より減少することから生じている。
2004/1月
産業技術総合研究所計測標準研究部門（現在最も正確）
20.0904 10
16
Copyright: A.Asano
17
Copyright: A.Asano
18
3
周期律 （periodic law）
周期表 最後の電子が入る軌道の種類に応じて色分けしてある表
例えば：
価電子の数を原子番号にもとづいて
並べると周期的に変化する。
典型元素
S
IA IIA
ア
ル
カ
リ
金
属
D.I. Mendeleev (1834-1907) 1869-1872
• 原子量の増大と化学的性質の周期性
J.L. Meyer (1830-1895) 1864-1869
• 原子量の増大と物理的性質の周期性
最外殻の電子配置（価電子の個数）が似ているもの同士は、
化学的、物理的性質は似ていて、上図のような周期性をもつ。
Be: 1s22s2
Mg: 1s22s22p 63s2
Ca: 1s22s22p63S23p64s2
周期表は、この周期律を利用して、縦軸
（族）に最外殻の電子配置が同じものが
来るように横軸（周期）に価電子の周期
性が来るように配置されている。
19
Copyright: A.Asano
IIIA IVA VA VIA VIIA
VIII
p
IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 0
非金属
希
土
類
d
遷移元素
周期性をもつ化学的、物理的性質のいろいろ
noble gases
化学的性質
希
ガ
ス
各種性質の周期性： （１）イオン化エネルギー (ionization energy) : IE
各種性質の周期性： （２）電子親和力 (electron affinity) : EA
金
属
各種性質の周期性： （３）電気陰性度 (electronegativity) :
ア
ル
カ
リ
土
類
金
属
ハ
ロ
ゲ
ン
Ds
物理的性質
各種性質の周期性： （４）原子半径 (atomic radius)
希土類
各種性質の周期性： （５）イオン半径 (ionic radius)
f
Copyright: A.Asano
メタロイド（金属と非金属の中間）
20
21
Copyright: A.Asano
第1イオン化エネルギー IE値の３次元図示
各種性質の周期性： （１）イオン化エネルギー (ionization energy) : IE
安定な電子配置
He
電子の安定な電子配置は最外殻に＿個電子が存在す
るときであり、これは希ガスの電子配置の電子数である。
イオン化エネルギー＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
Ne
遷移元素も含む
典型元素
F
＿＿＿＿＿であり、電子が原子にどのくらいの強さで束縛されて
NO
いるのか、目安を与える。
A (gas) IE
A (gas) e−
(gas)
B
Be
イオン化エネルギーは
• 同一周期では有効核電荷が増えるため、増加する。
Ar
Cl Kr
Br Xe
I Rn
At
（陽子の数が増え、電子は同一殻に入るため）
• 同一族では最外殻の電子のエネルギーがマイナスから０に近
づくので、電子を取り去るエネルギーは０に近づく（減少）。
最初に電子を１つ引き抜くときのエネルギーを第１イオン化エネ
ルギーと言う。１つ引き抜かれたA+の状態からさらに１つ電子を
Hg
遷移元素
22
Copyright: A.Asano
23
Copyright: A.Asano
Sc Y
Hf
減少
引き抜くエネルギーは第２イオン化エネルギーと言う。以降同様。
Copyright: A.Asano
C
H
ー
ルギ
化エネ
イオン
加
の増
24
4
電子親和力 EA値の３次元図示
各種性質の周期性： （２）電子親和力 (electron affinity) : EA
遷移元素も含む
電子親和力は＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
＿＿＿＿＿（例外はアルカリ土類と希ガス）エネルギーであり、原子が電
子を引き寄せる度合いの目安となる。
B (gas) e− EA
各種性質の周期性： （３）電気陰性度 (electronegativity) :
F Cl
典型元素
C
加
の増
親和 力
電子
になりやすい。
電子を放出して
遷移元素
Pt
Au
＋
0
に
La
なりやすい
典型元素
Br
At
Cl F
I
25
ポーリングの電気陰性度 値の３次元図示
C
典型元素
Cl
Br
B
IEとEAの値の相加平均値
Copyright: A.Asano
χA χ B
26
I
Be
•共有結合半径を原子半径とする。
Hg
Cd
Zn
減
Copyright: A.Asano
27
核間距離
加
の増
陰性 度
電気
共有結合半径
少
遷移元素
と定義した。
実際には電
子の広がり
があるので、
左図に示した
一定の半径
球のみで全
ての電荷雲
を囲むことは
できない。
•Van der Waals半径や金属結合半径を原子半径とする。
La
EA A
2
原子の相対的な大きさ（Å= 0.1 nm）
単体の分子や結晶中の最小原子間距離の半分を原子半径とする。
W
IE A
Copyright: A.Asano
At
H
χA
AB
実測の右辺に合うように各原子
の電気陰性度を決定した。
Ar
Xe Kr
ー
原子の大きさである、原子半径は、Heisenbergの不確定性原理
により、電子の軌道がはっきりと決まらないので、直接には
正確な数値を求めることはできない。
O
N
マリケン
化合物ＡＢの結合の安定化エ
ネルギーを ABとしたとき、
MgBe
各種性質の周期性： （４）原子半径 (atomic radius)
F
遷移元素も含む
ポーリング
Li
へ
電子を受け取り
Copyright: A.Asano
*: A.L. Allred, J. Inorg. Nucl. Chem., 1961, 17, 215.
少
減
イオン化エネルギー（IE）値が小さいほど
非金属元素：EA値もIE値も大きい
At
B
になりやすい。
金属元素：EA値もIE値も小さい
I
N O
Li
B(gas)
電子親和力（EA）値が大きいほど
電気陰性度は分子中で原子が電子を引寄せる能力を測る尺度を相
対的に表した数値。L.Pauling(1932)は結合エネルギーから水素原子
の陰性度を2.20とした時*の相対値を算出した。R.S. Mulliken（1934）
は電子親和力とイオン化エネルギーの相加平均値を電気陰性度とし
た。両者の値にはほぼ比例関係が成り立つことがわかり、現在は数
字的に扱いやすいポーリングの電気陰性度が用いられている。
Br
28
Copyright: A.Asano
29
Copyright: A.Asano
30
5
各種性質の周期性： （５）イオン半径 (ionic radius)
イオンの相対的な大きさ（Å= 0.1nm）
H＋
イオンを便宜上、球形と考えた時の半径。
算出方法により値が変わる。
Li＋ 0.60
Be2＋ 0.31
B3＋ 0.20
O 2− 1.40
F− 1.36
Na ＋ 0.95
Mg2＋ 0.65
Al3＋ 0.50
S2− 1.84
Cl− 1.81
K＋ 1.33
Ca 2＋ 0.99
Ga 3＋ 0.62
Se2− 1.98
Br − 1.95
Rb＋ 1.48
Sr 2＋ 1.13
In3＋ 0.81
Te2− 2.21
I − 2.16
• 固体結晶の場合： 陽イオンと陰イオン、２つのイオン半径の和が
それらのイオン結晶の核間距離に等しくなるように定義。
• 溶液の場合： 溶媒和したイオン半径をストークスの拡散の関係式
から電気伝導度に合うように定義される。この場合、電荷にも依存。
１つの周期内にお
いて陽イオン半径
は陰イオン半径よ
り常に小さい。
陰イオンは電荷が
大きいほど半径も
大きい。
固体結晶の場合
ー
イオン半径
核間距離
＋
Cs＋ 1.69
Copyright: A.Asano
31
Copyright: A.Asano
Ba 2＋ 1.35
Ti3＋ 0.95
32
6