はじめに

原子の構造とそこで出てくる各種用語(陽子・中性子・電子・原子核・質量数・原子番号など)は高校化学を学ぶ上で絶対に必要となる知識。この機会にしっかり押さえて、周りの受験生に置いていかれないようにしよう!


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原子とは

ちっこくて丸いツブ
Point!

原子とはボクたちの身の周りの物すべてを構成している小さくて丸いツブである。ボクたち人間も、飼っているペットも、いまいじっているパソコンやスマホも、全部この原子からできている。

現在確認されてる原子の種類は118種類で、そのうち自然界を構成しているのは92種類である。ちなみに、原子にはそれぞれ番号がつけられていて、その番号を原子番号ということは覚えておこう。

原子核・電子

それでは、原子の中身を詳しく見ていこう。下の図全体が原子を表している。

原子の中心にいる赤いマルを原子核、原子核の周りをグルグルまわっている青いマルを電子という。原子核はプラスの電荷を、電子はマイナスの電荷を帯びている。

陽子・中性子

次に、原子核の中身を詳しく見ていこう。まず覚えてほしいのは「原子核は陽子中性子から成り立っている」ということである。

オレンジ色のマルが陽子、緑色のマルが中性子を表している。

ちなみに、陽子はプラスの電荷を帯びており中性子は電荷を帯びていない。これが、先ほど「原子核(陽子+中性子)はプラスの電荷を帯びている」と述べた理由である。

原子のサイズ

原子の直径は約10-8cm(1cmの1億分の1)である。対して原子核の大きさは、約10-13〜10-12cmなので、原子の大きさの10万分の1〜1万分の1しかない。これは、1円玉(原子核)と甲子園球場(原子)の大きさの関係に相当する。

陽子/中性子/電子の重さ

陽子・中性子・電子の重さは次の通り。陽子・中性子と比較して電子は極めて軽いことがわかるね。

質量(g) 質量比
陽子 1.673×10-24 1
中性子 1.675×10-24 1
電子 9.109×10-28 1/1840

原子番号(原子の化学的性質)

原子の化学的な性質(反応性など)を決める要素はなんだろうか。化学では電子に注目することが多い(化学結合や酸化還元など)ため「電子」と答えたくなるかもしれないが、実はその電子の数を決めているのは「陽子」なんだ。

この原子の場合、陽子(プラス)が2コあるので、電子(マイナス)が2コ引き寄せられる。

このように、原子の化学的な性質を決めるのは陽子なので、陽子の数をその原子の番号(原子番号)とする。

質量数(原子の物理的性質)

原子の物理的な性質(運動性など)を決める要素は「重さ」である。前ページに表で示したように、原子を構成する3つのパーツの質量比は次のようになっている。

\[
\mathtt{ 陽子:中性子:電車=1:1: \frac{ 1 }{ 1840 } }
\]

電子の質量は陽子、中性子と比較して極めて小さい。したがって、「原子の重さ≒陽子の重さ+中性子の重さ」と考えることができる。

では、次の原子の重さは一体どのくらいになるだろうか。

(前ページの表より)陽子1コの重さが1.673×10-24、中性子1コの重さが1.675×10-24なので…

\[
\mathtt{ (1.673×10^{-24}×2 + 1.675×10^{-24}×2) g }
\]

この数字はとても小さいのでイメージしにくい。そこで、原子の重さを、本当の質量ではなく「陽子と中性子の合計粒子数」で表す。

\[
\mathtt{ \underbrace{ 2 }
_{ 陽子} +
\underbrace{ 2 }
_{ 中性子 } = 4}
\]

この「陽子と中性子の合計粒子数」は原子の質量の代わりになる数値なので、質量数と呼ぶ。

原子に関する公式たち

ここまで紹介してきたことを公式としてまとめておこう。

NO.1 原子番号=陽子の数
NO.2 陽子の数=電子の数
NO.3 陽子の数+中性子の数=質量数
Point!

陽子が原子の化学的な性質を決定するので原子番号は陽子の数と等しい。1コの陽子が1コの電子を引き寄せるので原子に含まれる陽子の数と電子の数は等しい。原子の重さを表す質量数は(極端に軽い電子は省くので)陽子の数と中性子の数を足した値となる。

原子の表記法

原子は元素記号という1〜2文字のアルファベットで表される。元素記号の左上に質量数、左下に原子番号を書く。

この表記を見て陽子の数・電子の数・中性子の数を言えるようにしておこう。

原子番号=陽子の数なので、陽子の数は6コ
陽子の数=電子の数なので、電子の数も6コ
陽子の数+中性子の数=質量数なので、中性子の数も6コ

となる。

応用:中間子と核力

ヘリウム(原子番号2)以降の原子は陽子を複数個持つため、原子核に陽子しかない場合プラス同士の電気的な反発が起こる。これを避けるために中性子が存在している。

陽子と中性子は「中間子」と呼ばれる素粒子を素早く交換しながら結びついている。つまり、陽子が中間子を放出し、中性子がこれを受け取ると、陽子は中性子に、中性子は陽子に変化する。これを繰り返すことで中間子によって陽子の正電荷が絶えず運び続けられる。結果、陽子と中間子の間には(陽子同士の反発を無力化するほどの)強い相互作用(=核力)が働くため原子核は安定して存在できる。

演習問題

問1

質量数12の炭素原子12Cの原子番号、陽子数、中性子数、電子数、質量数を答えなさい。
【問1】解答/解説:タップで表示
解答:原子番号6・陽子6コ・中性子6コ・電子6コ

炭素原子の原子番号は6である(これは覚えておくこと)。陽子の数は原子番号と等しいので6コ、「質量数=陽子の数+中性子の数」なので中性子の数は「12ー6」で6コ(質量数が12というのは問題に記載してある)。また、電子の数は陽子の数と同じなので6コである。

問2

質量数18の酸素原子18Oの原子番号、陽子数、中性子数、電子数を答えなさい。
【問2】解答/解説:タップで表示
解答:原子番号8・陽子8コ・中性子10コ・電子8コ

酸素原子の原子番号は8である(これは覚えておくこと)。陽子の数は原子番号と等しいので8コ、「質量数=陽子の数+中性子の数」なので中性子の数は「18ー8」で10コ(質量数が18というのは問題に記載してある)。また、電子の数は陽子の数と同じなので8コである。

問3

質量数21のネオン原子21Neの原子番号、陽子数、中性子数、電子数を答えなさい。
【問3】解答/解説:タップで表示
解答:原子番号10・陽子10コ・中性子11コ・電子10コ

ネオン原子の原子番号は10である(これは覚えておくこと)。陽子の数は原子番号と等しいので10コ、「質量数=陽子の数+中性子の数」なので中性子の数は「21ー10」で11コ(質量数が21というのは問題に記載してある)。また、電子の数は陽子の数と同じなので10コである。

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