物質の構造と状態

第
1章
物質の構造と状態
物理は分子からできており、分子
は原子からできています。また物
質は温度、圧力が変化すると、固体、
液体、気体などに変化します。こ
の章では、これらについて見てい
きます。
1-
1
原子の構造
化学は物質の性質や挙動を明らかにする学問です。そして全ての
物質は原子からできています。したがって物質を知るためには原
子を知ることが大切になります。
1 原子と分子 水を分けていくと小さな水滴になり、更に分けると霧の一粒のような微小な水滴
になります。どこまでも分けていくと、最後にこれ以上分けることができないとい
う微小な粒子になります。これを水の分子といいます。分子はその物質の性質を持
った極小の粒子なのです。
ところが、この分子も更に分けることができます。水の分子は 1 個の酸素原子と
2 個の水素原子という合計 3 個の粒子からできています。しかし、この水の分子を
分解してできた 2 種類の粒子は、もはや水の性質は何も持っていません。このよう
に、原子は分子を作る粒子ですが、分子の性質は持っていません（図 1 ）
。
2 原子を作るもの 原子は雲でできた球のようなものです。雲のように見えるのは電子雲であり、電
子という粒子からできています。電子雲の中心には原子核という小さいが密度の大
きい粒子があります。
原子核の直系は原子の直系の約 1 万分の 1 です。これは東京ドームを 2 個貼りあ
わせた巨大どら焼きを原子とすると、原子核はピッチャーマウンドに転がるビー玉
の大きさになります（図 2 ）
。そのくせ、原子全体の質量の99.9% 以上は原子核に
あるのです。
3 電子と電子殻 電子は原子核の周りに適当に集まっているわけではありません。電子にはキッチ
リとした居場所があります。これを電子殻といいます。
電子殻は原子核の周りに球殻状になって存在します。各電子殻には名前が付いて
おり、それは原子核から近い順に K 殻、L 殻、M 殻…と K から始まるアルファベ
ットになっています。
各電子殻に入ることのできる電子の個数は定まっており、それは K 殻（ 2 個、
＝1）、L 殻（ 8 個、 ＝2）
、M 殻（18個、 ＝3）と、 を整数とすると2 2個となっ
ています。この
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を量子数といいます。
第 1 章　物質の構造と状態
図1
水の分子と原子
水素原子
水
図2
水滴
霧の一粒
酸素原子
水の分子
電子雲と原子核
電子雲
原子核
ビー玉
図3
電子殻と電子の個数
電子殻
量子数は原子や分子な
どの微粒子の性質を決
定する重要な数です。
N殻
（ 32 個）
M殻
（ 18 個）
L殻
（ 8 個）
K殻
（ 2 個）
（ ）内は電子の個数
◉分子は物質の性質を残した粒子であるが、原子には物質の性質はない。
◉原子は原子核とそれを取り巻く電子雲からできている。
◉電子は電子殻に入る。
003
1-
2
原子量とモル
原子は物質です。物質は有限の体積と質量を持ったもののことを
いいます。原子の相対的な重さを表す尺度に原子量があります。
また、鉛筆の 1 ダースと同じように、原子の個数の単位として
モルがあります。
1 原子核を作るもの 原子核は 2 種類の粒子からできています。それは陽子（記号 p）と中性子（記号
n）です（図 1 ）。両者の重さはほぼ同じであり、その相対的重さを質量数＝ 1 と
して表します。前節で見た電子（記号 e）は質量数＝ 0 となります。
陽子と中性子の大きな違いは電荷です。陽子はプラスの電荷を持っており、その
相対的な量を＋ 1 として表します。それに対して中性子は電荷を持っていません。
ところが電子は、質量はほとんど 0 なのに電荷だけは− 1 を持っています（表 1 ）
。
そして原子は原子番号と同じ個数の電子を持っています。そのため、原子は全体と
して電気的に中性です。
原子核を作る陽子の個数を原子番号といい、記号
中性子の個数の和を質量数といい、記号
で表します。また、陽子と
で表します。 と
はそれぞれ元素記
号の左下、左上に添え字として付けます（図 2 ）
。
2 同位体 原子番号が同じでありながら、質量数の異なる原子があります。このような原子
を互いに同位体といいます。例えば、地球上の水素には1H、2H、3H の 3 種の同位
体があります。しかし、各同位体の存在量は大きく異なり、水素の場合にはほとん
。
どが1H となっています（表 2 ）
3 原子量とモル 簡単にいうと、同位体の質量数の荷重平均を原子量といいます。原子量は各原子
の総体的な重さを表す数値です。
原子 1 個の重さはあまりに小さいので、測定することは困難です。しかし、たく
さん集まれば重くなります。そしてある個数だけ集まればその重さは質量数（に g
を付けたもの）に等しくなります。このときの原子の個数をアボガドロ定数（6×
1023）といい、その集団を 1 モルといいます。
難しく考えることはありません。鉛筆（原子）12本（アボガドロ定数）を 1 ダー
ス（ 1 モル）というのと同じことです。
004
第 1 章　物質の構造と状態
図1
原子核
電子 e（マイナス）
陽子 p（プラス）
中性子 n
原子核
表1
陽子と中性子の電荷
原子核
原子
図2
名称
記号
相対電荷
質量数
電子
e
−1
0
陽子
p
＋1
1
中性子
n
0
1
元素記号
元素記号がわかれば
原子番号もわかるの
で、原子番号は省略
されることが
多いです。
元素記号
質量数（陽子数＋中性子数）
原子番号（陽子数）
全体も元素記号という
表2
同位体
元素名
記号
水素
炭素
1
2
3
H
H
H
（H） （D） （T）
12
C
酸素
13
C
16
O
塩素
18
O
35
Cl
臭素
37
Cl
79
Br
ウラン
81
Br
235
U
238
U
陽子数
1
1
1
6
6
8
8
17
17
35
35
92
92
中性子数
0
1
2
6
7
8
10
18
20
44
46
143
146
存在度
（％）99.98 0.015 ∼0 98.89 1.11 99.76 0.20 75.53 24.47 50.52 49.48 0.72 99.28
◉陽子の個数を原子番号 Z、陽子と中性子の個数の和を質量数 A という。
◉陽子の個数と電子の個数は同じなので原子は電気的に中性である。
◉アボガドロ数の原子集団を 1 モルという。その質量は原子量に等しい。
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