原子構造と周期表

フィルターは砂を塩水溶液から分離できますが、塩結晶中のナトリウムと塩素を分離することはできません。これは化学的結合の違いによるものです。このトピックは、物質内の粒子と分離、原子モデル、反応のパターンとの関連性を扱います。

提供された周期表を使用して元素を特定してください。方程式を平衡させる前に原子数を数え、元素を特定する前に陽子数を数えてください。Higher Tier のイオン/半反応式およびChemistry固有の遷移金属の内容は、以下にラベル付けされています。

** Atom ** は ** element ** の最小単位であり、単体で存在できるものです。元素は陽子数が一つである原子を含みます。ヘリウムのように単一原子である場合や、O₂のような分子である場合があります。O₂ は2つの原子を含みますが、元素は1種類のみです。

A compound contains two or more elements chemically combined in fixed proportions. H₂O always has two hydrogen atoms for each oxygen atom. Compounds have properties different from their elements and can be separated into elements only by chemical reactions. A chemical reaction makes one or more new substances and often has a detectable energy change.

名称と大文字小文字を正しく書かれた記号を学びましょう：Co はコバルトですが、CO は一酸化炭素です。このコースでは最初20元素、Group 1 と 7、および他の指定された元素を使用します。最初20元素は以下の通りです：

化学式は組成を示す: MgCl₂ は塩化マグネシウム; Na₂O は酸化ナトリウム。単語方程式では、反応物と生成物の名称を記す: マグネシウム + 酸素 → 酸化マグネシウム。記号方程式では、それらの化学式を用いる。

計算例 — 係数の調整: Mg + O₂ → MgO から始める。左辺に酸素原子が2つあり、右辺には1つある。MgO の前に 2 を置き、次に Mg の前に 2 を置く: 2Mg + O₂ → 2MgO。Mg が等しいか確認: 2 = 2; O: 2 = 2。物質の化学式の添字ではなく、粒子全体の係数を変化させる。MgO₂ は異なる化学式になる。H₂O 分子3つには水素原子6つと酸素原子3つが含まれる。

上級レベル — 電荷も考慮する: ゼンクは電子2つを失って Zn²⁺ となる: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻。両辺の総電荷はゼロである。銅イオンは2つ受け取る: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu。半反応式を加えると電子が相殺される: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu。溶液中で変化しない硫酸イオンは spectator ion（傍観イオン）であり、除外される。相殺後の原子数と総電荷を確認し、変化した種を相殺してはいけない。

混合物とは、化学的に結合していない物質を含むもの。各成分は化学的性質を保つ。物理的な分離では新しい物質は作られないので、成分の性質や得たい製品に基づいて方法を選ぶ。

計算例 — 砂、塩、水からの純粋で乾燥した塩の製造: 攪拌して残りの塩を完全に溶解させる。ろ過し、砂は紙に残り、塩溶液は通過する。濾液を弱火で加熱して一部の水を蒸発させ、冷却して結晶を形成させる。結晶をろ過し、ろ紙の間に置いて乾燥させる。砂を少量の水で洗浄すると、砂に閉じ込められた塩溶液を取り出せる。ろ過だけでは溶解塩は回収できない。

蒸留は、蒸発 followed by 凝縮によって液体を取り出す手法である。

計算例 — 代わりに水を回収する場合: 単一蒸留を用いる。塩溶液を加熱し、水蒸気がフラスコを出て凝縮器で冷却され、液体水として収集される。蒸発のみ行い蒸気を収集しないと、目的の製品が失われる。互いに混ざり合う2つの液体には分餾を選択し、フィルターでは分離できない。クロマトグラフィーでは、サンプルが固定相の上へ移動し、溶媒槽に直接溶けないように、鉛筆のスタートラインを溶媒より上に保つ。

科学的モデルとは、証拠を説明する表現である。新たな観察により、モデルは変更または置換されることがある。初期の原子は微細で分割不可能な球であった。負の電子の発見により内部構造が必要となり、正の電荷が広がる球の中に電子が埋め込まれたプラム・プディング模型が提示された。

アルファ散乱実験において、ほとんどの正のアルパ粒子は薄い金属箔を透過したが、一部は回折し、非常に少数は反射してきた。これらの観察結果は異なる結論を支持する：

原子核モデルは、広がりを持つ正電荷の代わりに、微小な正の原子核と周囲の電子を提案しました。ボーア subsequently は、観測結果と一致して、電子が特定の距離やエネルギー準位に存在すると提案しました。後の研究により、原子核の正電荷の単位として陽子が発見されました。チャドウィックによる証拠に基づき、中性子が原子核内に存在することが確認されたのは、原子核モデルが受け入れられてから約20年後のことです。ボーアモデルやチャドウィックの実験装置の詳細については、理解の必要はありません。

** worked explanation（解説例）：**「一部の粒子が跳ね返ったので、原子全体は固い」という主張は、大部分が通過したという観測事実と矛盾します。統合的な証拠は、大部分が空洞である原子の中に、小さく密集した原子核が存在することを示唆しています。モデルは、一つの選ばれた観測値だけでなく、すべてのパターンを説明する必要があります。

原子番号 Z は陽子の数であり、元素を識別します。その元素のすべての原子は同じ Z を持ちます。質量数 A は、陽子の数と中性子の数の合計です。電気的に中性な原子では、陽子数と電子数が等しいため、電荷は打ち消し合います。イオンは電子数を増減させることで形成されます；陽子数を変えると、それは別の元素になります。

** worked particle count（粒子数計算例）：** クロル-37 原子において Z = 17 です。陽子数 = 17；中性子数 = 37 − 17 = 20；電子数 = 17。Cl⁻ は電子を1つ得ているため、電子数は 18 となりますが、陽子数と中性子数は ⟨⟩17/20 のままです。カルシウム-40 について、Z = 20：Ca²⁺ は、20 個の陽子、20 個の中性子、18 個の電子を持ちます。

同位体とは、同じ元素ですが中性子数が異なる原子のことです。クロル-35 とクロル-37 はどちらも ⟨⟩17 個の陽子を持っていますが、それぞれ ⟨⟩18 個と ⟨⟩20 個の中性子を持っています。これらは依然としてクロルであり、質量数が異なっても必ずしも異なる元素ではありません。

一般的な原子の半径は約 0.1 nm = 1 × 10⁻¹⁰ m で、1 nm = 10⁻⁹ m です。原子核の半径は原子の半径の万分の一未満で、オーダーは 10⁻¹⁴ m です。質量のほとんどは原子核に含まれています。これらは近似スケールであり、すべての原子の正確な寸法ではありません。

Worked scale: if an atom's radius were enlarged to 1 m, a nucleus one ten-thousandth as large would have radius 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. The actual specified nucleus is smaller than that ratio. Compare radius with radius; an atom's diameter is twice its radius. Atoms of diameter about 2 × 10⁻¹⁰ m would number about 5 × 10⁶ along a 1 mm line, ignoring gaps: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

相対原子質量 Aᵣ は、存在比加重平均であり、単位を持ちません。整数である必要はありません。無作為平均ではなく、パーセンテージ存在比を使って計算してください：

**平均の計算：**クロリン-35が75%、クロリン-37が25%である場合、(35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5となります。これは35に近い値です。なぜなら、その同位体の方が存在比が高いためです。この値は35と37の間に位置します。単一の原子が「35.5個の中性子」を持つことや、質量数が35.5であることはありません。

最外殻電子は、原子の最も高い占有された電子殻に存在し、その反応性を決定する役割を果たします。

電子はまず利用可能な最低のエネルギー準位を占めます。初めから20番目の中性原子については、GCSEの電子殻モデルを使用します：第1殻は2まで、第2殻は8まで、そして8之后に第4殻が始まります。これはすべての元素に対する普遍的な法則ではなく、必須とされる限定的なモデルです。

** worked arrangement（作例配置）：** カルシウムはZ = 20 であり、したがって20個の電子を持っています。第1殻に2、第2殻に8、第3殻に8、第4殻に2を配置します：2,8,8,2。図示には、それら4つの電子殻および同じ総数の電子を示す必要があります。塩素は2,8,7であり、3つの占有された電子殻と7個の最外殻電子を持ちます。

現代の周期表は原子番号順に元素を並べています。周期は行であり、占有された電子殻の数によって周期が決定されます。族は、化学的性質が類似した元素を含む列です。主族1–7では、族番号が最外殻電子数を示します。族0は最外殻が満たされています：ヘリウムは2個の電子を持ち、このモデルにおける他の希ガスは8個持っています。この例外により、すべての族構成要素が同じ電子数を持つものとして扱われることを防いでいます。

**予測の計算：**未知の最初20元素には2,8,1があります。電子/陽子数が11なので、これはナトリウムであり、周期表のPeriod 3、Group 1に位置します。外側の電子が1つあるため、+1イオンの形成やリチウム/カリウムに類似した反応が予測されます。2,8,7個の外側電子を持つ元素は、イオン反応で電子を1つ得る傾向があります。位置関係は予測を裏付けますが、反応証拠を代替するものではありません。

初期の周期表は、素粒子が知られる以前に原子量の増加順に並べられていました。これらは不完全であり、厳密な質量順序により、異なる隣接元素を持つ元素が一部含まれていました。メンデレーエフは未発見の元素のための隙間を残し、類似した性質を一緒に保つためにsometimes 質量順序を変更しました。彼は欠けている元素の性質を予測し、後に見つかった予測に一致する発見が彼の配列を裏付けました。同位体の知識により、平均原子量の順序が常に元素の正体と一致しない理由が説明されました。現代の順序は原子番号に基づいています。

** worked evidence judgement（作例証拠判定）：** 隙間で予測された性質を持つ元素が見つかることは、単に新しい元素が見つかることよりも周期表をより強く支持します。予測が失敗した場合、配列の見直しを促すことになります。隙間を残すことは、それ自体が証明ではない、検証可能な提案でした。

金属は主に左側/下部にあり、電子を失うことで反応中に正イオンを形成します。非金属は主に右側/上部にあり、特徴的に正イオンを形成せず、電子 gaining または共有結合で電子を共有することがあります。ほとんどの元素は金属です。金属は通常、熱や電気传导性があり、光沢があり、曲げたり成形したりできます；固体非金属はしばしば脆く、導電性が低いです。これらの特性パターンには例外があり、例えば導電性のある黒鉛のようなものは、例外のない定義ではありません。

希ガスは不活性であり、安定した満タン状態の最外殻を持つため分子を形成しにくく、単原子です。Group 0を下るにつれて相対原子質量が増加するため、沸点も上昇します。提供された傾向データを使用して中間値を予測するか、あるいは後続の成員がより高い沸点を持つかどうかを確認してください；データがない限り正確な値を主張しないでください。

アルカリ金属（Group 1）は最外殻に1個の電子を持ち、+1イオンを形成します。リチウム、ナトリウム、カリウムは酸素と反応して酸化物を、塩素と反応して塩化物を、水と反応して金属水酸化物と水素を生成します。学校のモデルにおいて、4Li + O₂ → 2Li₂O；2Na + Cl₂ → 2NaCl；2K + 2H₂O → 2KOH + H₂。いかなる条件下でもすべての酸素生成物が同じ化学式を持つとは仮定しないでください；平衡式を作る際は提供された化学式を使用してください。

水との反応において、リチウムは泡立ってゆっくりと動き、ナトリウムは速く反応してしばしば溶けた球状になり、カリウムはさらに激しく反応し、ライラック色の炎とともに発火することがあります。これらは指導下でのデモンストレーションにおける観察結果です。反応性は族を下るにつれて上昇します：占有された電子殻が多くなることで最外殻電子は核から遠くなり遮蔽効果が大きくなるため、核電荷が大きくなっても失われやすくなります。

ハロゲン（Group 7）は最外殻に7個の電子を持ち、二原子分子を形成します：Cl₂、Br₂、I₂。室温において、塩素は淡緑色の気体、臭素は赤褐色の液体、ヨウ素は灰色の黒色固体です。相対分子量、融点、沸点は族を下るにつれて上昇します。反応性は低下します：最外殻領域は核から遠く、遮蔽効果が強いため、入ってくる電子への引力が弱くなります。

ハロゲンは金属とイオン性ハロゲン化物（例：NaCl）、非金属と共有結合化合物（例：HCl）を形成します。すべてのハロゲン化合物がイオン結合を含んでいるとは言わないでください。置換反応は、より反応性の高いハロゲンが水溶液中のハロゲン化物から反応性の低いハロゲンを置き換える際に起こります。

** worked displacement（作例置換反応）：** クロリンを臭化カリウムに添加すると臭素が生成され、オレンジ/茶色の溶液となります：Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂。クロリンは臭素イオンから電子を受け取ります。臭素は反応性が低いため、塩素イオンを置換しません。したがって、「反応なし」の結果は反応性の順序を確立するのに役立ちます。Higher Tier向け：Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻；2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻；全体：Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂。原子と電荷は保存されます。

遷移金属の例として、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅を挙げます。第1族金属と比較して、一般的に高い融点と密度、大きな強度/硬さを持ち、酸素、水、ハロゲンとの反応性が低いです。ナトリウムのように、銅は冷水とは反応しません。すべての金属が同じように振る舞うと仮定せず、具体的な例と条件を比較してください。

多くの遷移元素は異なる電荷を持つイオンや有色の化合物を形成し、触媒として機能します。鉄はFe²⁺およびFe³⁺を形成し、水溶液の鉄(II)塩は淡緑色、鉄(III)塩は黄色または茶色です。水溶液の銅(II)塩は通常青色です。色は化合物や条件によって異なりますので、ある元素のすべての化合物が単一の色を持つとは限りません。 Haberプロセスの触媒である鉄や、水素化触媒であるニッケルのような例は、一般的な性質を示すものであり、あらゆる遷移化合物の性質を表すものではありません。

**計算例（化学式）：**硫酸イオンはSO₄²⁻です。Fe²⁺はFeSO₄を与えます。Fe³⁺の場合、鉄イオンが2個、硫酸イオンが3個必要となり、Fe₂(SO₄)₃となります。両化合物とも電荷はゼロに釣り合っています。同じ3種類の元素名であっても、比率や鉄の酸化状態が異なれば、異なる化合物となります。

• 成分の性質と生成物から分離方法を選び、各段階で何が起こるか説明してください。
• 単にタイムラインを暗記するのではなく、アルファ散乱の実験結果を原子核モデルと結びつけてください。
• 原子やイオンの粒子数を数え、加重平均を計算し、半径、直径、スケールの違いを区別してください。
• 最初の20元素の電子配置を数字と殻図の両方で表し、周期表上の位置を予測してください。
• 根拠を用いて族の傾向や置換反応を説明し、特定の遷移金属の性質を第1族と比較してください。