２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 1/10

いろいろなものの大きさ比較
観測できる宇宙およそ 1.3×1026 m

およそ 140 億光年：
最も近い恒星 およそ 4.4×1016 m

プロキシマ・ケンタウリ, 4.22 光年

ボイジャー距離およそ 1.8×1013 m

177 億 km（2011 年 8 月）

12

太陽から土星 およそ 1.4×10m

太陽から地球 およそ 1.5×1011 m
10（149 597 870 km）

１光分

およそ 1.8×10m

太陽の直径

およそ 1.4×109 m（1 392 000 km）

木星の直径

およそ 1.4×108 m（142 984 km）

7

地球の直径

およそ 1.3×10 m（12 756 km）

月の直径

およそ 3.5×106 m（3 480 km）

5前橋－福島およそ 2 ×10 m（200 km）

瀬戸大橋

およそ 1.3×104 m（13.1 km）

3（1828 m）

2東京ドーム直径およそ 1.2×10 m（ 122 m）

黄色いアヒル およそ 1 ×101 m（10 m）

ヒト平均身長 およそ 1.7×10 m（1.7 m）

ソフトボール およそ 1 ×10-1 m（10 cm）

赤城山標高

およそ 1.8×10 m

0-2

ゴルフボール およそ 4.3×10キャビア
ゾウリムシ
綿の繊維幅m

（ 4.3 cm）

およそ 3 ×10-3 m（2～3 mm）-4m（200 m）-5m（10 m）

およそ 2 ×10
およそ 1 ×10

ヒト精子頭部 およそ 4 ×10-6 m
ウィルス-7m（100 nm）

細胞膜の厚さ およそ 1 ×10-8 m（ 10 nm）

フラーレン C60 およそ 1 ×10-9 m（1 nm）

およそ 1 ×10-10 m（1 Å）

酸素の原子核 およそ 3 ×10-15 m（3 fm）

硫黄原子

およそ 1 ×10（3～5 m）：：：：：：：：
電子

質量は測定されているが、大きさ（体積）は判っていない。
とても小さい。（実験的に測定することがとても難しい）

ラバーダックプロジェクト２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 2/10原子の大きさは、およそ 10-10 m （1Å）

原子の構造

原子核の大きさは、原子の約１０万分の１（東京ドームの中のキャビア 1 粒）
陽子と同数* の電子（－の粒子）が、原子核の 10 万（105）倍くらいの大きさの領域に雲のように広がっている。

拡大
105 倍

剛体球のように、明確な領域の区原子核├ ＋の粒子│ （陽子）└ 中性の粒子（中性子）

切りがあるわけではない。
* 原子が電荷を帯びていない前提

原子核の周りの電子の数が同じ＝ 同じ元素原子核の中の陽子の数が同じ＝ 同じ元素中性子の数が違えば、同じ元素だけど、別の重さをもつ原子になる。
（同位体）
陽子の重さ、中性子の重さは、それぞれ１ da、電子の重さはその 1/1800。
da は重さの単位で、ドルトンまたはダルトンと読む。
１ da とは、その重さの粒子を、１モル集めると、1 g になるような重さのこと。
→ アボガドロ定数 NA = 6.02214 × 1023 mol−1

記号の約束126C→ 1 Da = 1/NA g← 人間が決めた約束ごとなので、うだうだ言わずに覚える。

左上 12 質量数

： 原子核の「中の陽子の数」＋「中性子の数」

左下 6

原子番号 ： 原子核の中の「陽子の数」、または、「周囲の電子の数」

中央 C

元素記号 ： 原子の種類を表す。

※

原子番号は、元素の種類を決めるので、原子番号を省略することもある。

※「原子量」は、その原子を１モル集めたときの重さで、質量数とおよそ一致する。
同じ種類の原子（元素）でも、異なる重さの原子が存在しているから、原子量と質量数が一致するわけではない。また、更に細かい精度まで注目した場合には、その他の理由でのずれも生じる。
（例）塩素は、全体の 3/4 が 35Cl で、残りの 1/4 が 37Cl である。
そのため、塩素の原子量は、35.5 である。

なお、右下は数を表す。C60 は、炭素が 60 個集まってできた分子。
右上は、イオンの価数などを書く。 Fe 2 は、鉄原子の周囲から電子が２つ奪われて、電子２つ分だけの正の電荷に帯電していることを表す。

２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 3/10

それぞれの原子（原子番号によって区別される）が、中性子をいくつ持つかは、自然に決まっていて、陽子の数とほぼ同じかその 1.5 倍くらい。およその傾向はあるが、一定の法則はない（と思う）。
同位体 isotope … 同じ元素（=化学反応性が同じ）だが、中性子の数だけが異なる構造をもつ原子
水素の同位体112311

H 、 H 、 H などがある。

（それぞれを区別する意図がある場合は、「軽水素」「重水素」「三重水素」などと表記し、これらについて、 H, D, T の記号を用いることがある。
）
元素名
水素

ヘリウム
炭素

酸素

窒素
塩素

元素記号

質量数

原子質量 / DaH

1

1.007825

99.985(D)

22.014102

0.015

(T)

3*

3.016049-He

33.016029

0.000144.002603

99.9999

1212（定義）

98.90

13

13.003355

1.10

14*

14.003241※

1615.994915

99.76217

16.999131

0.038

18

17.999160

0.200

1414.003074

99.6341515.000109

0.366

35

34.968852

75.77

37

36.965902

24.23

CON
Cl

同位体存在度 / ％平均原子質量 / Da
1.00794

4.002602
12.01115.9994

14.00674
35.4527→ 水素原子（平均原子質量 1.00794 Da）の重さ
１モル集めると、1.00794 g
１個では、1.67372×10-24 g→ 水の分子量の計算 H2O
精密に計算したいとき、（1.00794/6.02214E23）（酸素 18 を含む水は、約 0.20%、重水素を１つ含む水は約 0.015%）
1.00794×2 + 15.9994 = 18.0153

小数点以下は不要のとき、 1×2 + 16= 18

従って、水 18.02 g が 1 mol である。
水素をすべて「重水素に置き換えた」水もある。
→ 重水の分子量の計算 D2O
精密に計算したいとき、

2.01410×2 + 15.9994 = 20.0276

小数点以下は不要のとき、 2×2 + 16= 20

従って、重水 20.03 g が 1 mol である。
重水は、沸点が 101.4℃、比重は 1.107 である。重水でできた氷は、軽水に沈む。

２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 4/10

原子核の周囲の電子は、そのエネルギーがとびとびの（不連続な）値しかとらない。
水素原子は、周囲に電子を１つだけ持ち、原子核の正電荷にひきつけられている。

エネルギー En / EH

下図の n=1 の準位に電子が入っている場合がもっとも安定である。

水素原子の電子は、いろいろなエネルギーをとることができるが、その値はとびとびである。
そのエネルギー En は、量子数 n を用いて、

E n = - EH / n 2で表される。
ただし、n → 無限大で、En → 0 となるのは、原子核の束縛を完全に逃れた状態を表す。
ここで、EH は、定数で、EH = 2.18 ×10-18 J= 13.6 eV

水素原子の線スペクトル
光などの形でエネルギーを与えると、電子は、上の準位に遷移できる。水素原子は、特定の波長（λ）の光を吸収したり、発光したりする。

上式右辺の係数 R をリュードベリ定数という。
ここで、λ [m] は光（線スペクトル）の波長、
ν [Hz] は振動数、c [m/s] は光速、n, m は適当な整数である （但し、m > n）。

n に関して、以下のように呼称される。
 n=1、m=2,3,4…： ライマン系列（1906 年）
 n=2、m=3,4,5…： バルマー系列（1885 年）
 n=3、m=4,5,6…： パッシェン系列（1908 年）
 n=4、m=5,6,7…： ブラケット系列（1922 年）
 n=5、m=6,7,8…： プント系列（1924 年）
 n=6、m=7,8,9…： ハンフリース系列（1953 年）（121.6nm 遠紫外線領域）（656.3nm 紫外可視光領域）（1875.1nm 赤外線領域）（4050.0nm 近赤外線領域）（7460.0nm 遠赤外線領域）（12370nm遠赤外線領域）

ライマン系列の輝線は、波長が 120nm 以下の紫外線であるため、大気により減衰するので、実験的には、真空紫外線分光器などの大がかりな設備が必要である。

２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 5/10原子の中の電子配置
各元素の原子は、原子核中の陽子の数と同じだけの電子をもつ。
この電子は、エネルギーの低い軌道から順に埋まっていく。
H ：電子１つ
He：電子２つ
Li：電子３つ→ K 殻に１個→ K 殻に２個→ K 殻に２個
L 殻に１個→ K 殻に２個
L 殻に２個→ K 殻に２個
L 殻に３個

Be：電子４つ
B ：電子５つ：
Na：電子１１個→ K 殻に２個
L 殻に８個M 殻に１個：最後に電子が入った電子殻を最外殻という。

節の数

電子殻

量子数

K殻
L殻

n=1n=201M殻

n=32N殻O殻→n=4n=534副殻（軌道）1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f5g

軌道の数113135135713579

収容電子
数
2個
8個
18 個

32 個

50 個

教科書 p8１

構成原理 ： 最も低いエネルギーの軌道から電子が順に収容される。

２パウリの排他原理 ：３フントの規則 ： 複数同じエネルギーの軌道がある場合には、はじめにそれぞれに１つずつ（同１つの軌道には、電子が２つずつまでしか入ることができない。

じスピンの向きで）電子が入る。

２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 6/10構成原理（積み上げ原理）と周期表
内側
副殻のエネルギー

外側

K殻

L殻

M殻

N殻

O殻

P殻

Q殻

n=1n=2n=3n=4n=5n=6n=7元素

族

7p高い6d3～8
第７周期5f遷移7s

1,23～86p5d第６周期

4f遷移

6s

1,23～85p4d第５周期

遷移

5s

1,23～84p
3d第４周期遷移

4s3p3s

第３周期

2p2s
低い
＊
＊＊
＊
＊

1,23～81,23～8
1,21,2

第２周期

1s

第１周期

入ることのできる電子の数 ： s - 2 個、p - 6 個、d - 10 個、f - 14 個 （それぞれ、1、3、5、7 の 2 倍。
）
同じ周期では、2s → 2p、3s → 3p、4s → 4p、5s → 5p、6s → 6p、7s → 7p が最外殻となる。
d, f 軌道より外側の殻の s 軌道のほうがエネルギーが低いので、d, f 軌道に入る電子は最外殻とならない。
2p の次は 3s、3p の次は 4s、4p の次は 5s、5p の次は 6s、6p の次は 7s となっている。
斜めの並びは、（2p-3s、3p-4s、3d-4p-5s、4d-5p-6s、4f-5d-6p-7s、5f-6d-7p-(8s) ）の順となっている。

周期表の位置と電子配置
原子番号から、積み上げ原理の順で一番最後に入った電子の軌道（1s, 2s, 2p など）を書きこんでみよう
周期

第１族

第２族

第13族

第14族

第15族

第16族

第17族

1第18族
2１345678910111213

141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565771727374757677787980818283848586878889

103

104105106107108109

110

111

112

113

114

115116117118

２３４５６７原子の構造と周期表 7/10２K 基礎有機化学

元素記号と元素名は、周期表を参照。
１族

第１周期

1s

第２周期

2s2s

第３周期

3s3s

＜――――――――――遷移元素――――――――――-＞

第４周期

4s

4s

3d3d3d3d3d3d3d3d3d

第５周期

5s

5s

4d4d4d4d4d4d4d4d

第６周期

6s

6s

4f5d5d5d5d5d5d

第７周期

7s

7s

5f6d6d6d6d6d

最外殻
電子数

12222222電子の入り方

１３１４１５１６１７１８族

族族族族

族

２族

1s

構成原理に従って最後に入る電子の軌道s に入る

2p2p2p2p2p2p3p3p3p3p3p3p3d4p4p4p4p4p4p4d4d5p5p5p5p5p5p5d5d5d6p6p6p6p6p6p6d6d6d6d7p7p7p7p7p7p2222345678

内殻の d, f 軌道（副殻）の電子が増える（ただし、最外殻電子数が１になる例外もある。※3）

3 つの p に１つずつ入る

3 つの p の２つ目が入る

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p

・ 電子殻（K, L, M …）は、その中に副殻（軌道）（s, p, d, f）をもつ。
・ 電子の数が原子核中の陽子の数と同じで、電気的に中性になる状態が安定である。
・ 電子は、エネルギーの低い順に入る。この順は大雑把に、K 殻（1s）< L 殻（2s, 2p）< M 殻（3s, 3p,3d） … だが、d, f の副殻は、一つ外側の電子殻の s と順序が入れ替わっている。
・ ひとつの軌道（副殻）には、電子が２つまで入ることができる。ただし、同じエネルギーの軌道は、s は１つだが、p は３つある。d は５つ、f は７つ。
（p の３つを区別する時、直交座標の軸の方向を用い、px, py, pz と呼ぶことがある。
・ 各周期とも、最外殻の s で始まって、p で終わっている。同じエネルギーの副殻が複数ある場合は、まずそのすべてが１つずつ埋まり、次いで、２つ目がはいる。
・ 周期表の縦は、最外殻の電子の数が同じである。
（ヘリウムだけ例外。ただし、閉殻(※2)となっている点は、ヘリウムを含む第 18 族すべてに共通である。）

２K 基礎有機化学→

原子の構造と周期表 8/10

最外殻の電子数が、元素の化学的な性質を支配する！

・ つまり、同じ族の元素は化学的に似た性質をもつ。
・ 第 1 族～第 2 族、第 12 族～第 18 族を「典型元素」とよぶ（第 12 族は、d ブロック元素であるが、典型元素として扱うことが多いので注意）。
・ 第 3 族から第 11 族を「遷移元素」とよぶ。遷移元素は、最外殻の電子ではなく、内殻の電子数が増える。このため、典型元素で見られるような周期性はあまりはっきりせず、化学的な性質も互いに似ているものが多い。
・ ｆブロック元素（上表、マゼンタ）であるランタノイド系列（原子番号 57～71）、アクチノイド系列（原子番号 89～103）を「内部遷移元素」とよぶことがある。最外殻から数えて２つ内側の電子殻の f 軌道で電子が増えるため、物理、化学的な性質が互いによく似ているものが多い。

(※2)

最外殻の s と p が全部埋まったような電子配値（K 殻では 2 個、それ以外の殻では 8 個の電子が入った構造）を「閉殻」であるという。原子は、閉殻になったときに安定となる。（オクテット則）
第 18 族の元素は、単原子が閉殻となっているため、そのままで安定に存在し、化合物を作らない。それ以外の元素は、1) 最外殻の電子を他の原子に与えたり（例 Na → Na+ ＋ e- , 教科書 p31 図 3.2）、
2) 他の原子から電子を受け取ったり（例 Cl ＋ e- → Cl-, 教科書 p31 図 3.3）
、3) 他の原子と電子を共有したりして（例 H・ ＋ ・H → H:H , 教科書 p70）閉殻になろうとする。
(※3)

なお、３つの p 軌道に電子が１つずつすべて入った状態（第 13 族）、５つの d 軌道に電子が１つずつすべて入った状態（第 7 族）を、半閉殻といい、同様に安定性を示す。この閉殻、半閉殻の電子配置の安定性のため、24Cr と 29Cu は、例外的な電子配値をもち、本来 4s に２つ入るべき電子のうち１つが、内殻である 3d 軌道に昇位している。
（教科書 p39、図 3.5 電子配値）

２K 基礎有機化学

原子の構造と周期表 9/10

元素の周期的な性質
・ 電子配値（最外殻の電子の数）・ 結合の数。酸化物や塩素化物を作るときの酸素、塩素の数。
・ 原子半径、イオン半径・ イオン化エネルギー・ 電子親和力・ 電気陰性度
原子半径○ 同一周期上で、原子番号が大きい方が小さい。
同じ電子殻だが、n+ と n- の引力は、n が大きい方が大きいから。
○ 同族元素間で、原子番号が大きい方が大きい。
周期が下にあるほど外側の電子殻に電子が入っているから。
イオン化エネルギー ionization energy
原子 A から電子を引き離すのに必要なエネルギー。
［A］と［A+ と、無限遠の e-］とのエネルギーの差。
前者に対して後者でエネルギーが高いとき、正になる。
電気的中性になるまで電子を入れた状態が安定、つまり電子を引き離した状態のエネルギーの方がエネ
ルギーが高いので、すべての元素が正の値をもつ。その値は次の傾向に従う。
○ 同一周期上で、イオン化エネルギーは原子番号とともに増大する。
○ 同族元素間で、イオン化エネルギーは原子番号とともに減少する。
○ 遷移元素間では、最外殻が同じなのでイオン化エネルギーはほとんど変化しない。
つまり、イオン化エネルギーが小さいもの（周期表の左方、下方）ほど陽イオンになりやすい。なお、「陽イオンになりやすい」性質を「金属性」という言い方をすることがある。
電子親和力 electron affinity
原子 A に電子を与えたときに放出されるエネルギー。 [A と、無限遠の e-］と［A－］とのエネルギーの差。前者に対して後者でエネルギーが低いとき、正になる。
ハロゲンのように、電気的中性を超えて、更に電子を入れた方が安定になるようなものでは、後者の方がエネルギーが低くなり、従って、正の値となる。
電子親和力が正で大きいものほど陰イオンになりやすい。
○ 同一周期上で、電子親和力は原子番号とともに増大。ハロゲンで最大になる。希ガスでは最小。
○ 同族元素間で、電子親和力は原子番号とともに減少する。
電気陰性度 electro-negativity
化合物をつくったりする際に、それぞれの原子がどれだけ電子を引付けやすいかの尺度。
希ガス以外の元素に対して定められている。何種類かの計算式が提唱されている。
○ 異なる電気陰性度の原子間で結合をつくると、数値の大きい元素がマイナスになりやすい。
○ 電気陰性度の差が、およそ２程度より大きいと、イオン結合になりやすい。

原子の構造と周期表 10/10

２K 基礎有機化学

L.ポーリングによる電気陰性度の表
下図は、http://ja.wikipedia.org/wiki/電気陰性度 からの引用の上、改変。

*ランタノイド系列、**アクチノイド系列は省略
族

123456789101112131415

16

1718

周期

1H

He

2.2234

567

Li

Be

B

CN

O

F

0.98

1.57

2.04

2.55

3.04

3.44

3.98

Na

Mg

AlSi

P

S

Cl

0.93

1.31

1.61

1.9

2.19

2.58

3.16

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

0.82

1

1.36

1.54

1.63

1.66

1.55

1.83

1.88

1.91

1.9

1.65

1.81

2.01

2.18

2.55

2.96

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

0.82

0.95

1.22

1.33

1.6

2.161.92.2

2.28

2.2

1.93

1.69

1.78

1.96

2.05

2.12.66

Cs

Ba

HfTaW

ReOs

Ir

Pt

AuHg

TlPb

BiPo

At

0.79

0.89

1.3

1.5

2.36

1.9

2.2

2.2

2.28

2.54

2

1.62

2.33

2.02

2

2.2

FrRa

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

0.7

0.9

*

**NeArKr

XeRn→ 酸素、窒素、ハロゲンは電気陰性度が大きい。フッ素が最大、次いで酸素。
→ 周期表、左、下方ほど電気陰性度が小さくなる傾向がある。これは、「陽イオンになりやすい」、つまり「金属性」が高いことを示す。

金属元素と非金属元素
上の周期表、黒線より右および上を非金属元素、それ以外を金属元素とよぶ。
この境界付近の元素、B, Si, Ge, As, Te, 場合により Po, At 等を半金属とよぶこともある。
化学的な金属の定義
金属結合をもつもの。
（教科書、第７講）
原子核が規則正しく並んだ周囲を、自由電子が動きまわるような状態。
材料としての金属の性質
1. 常温で固体である（水銀を除く）。
2. 塑性変形が容易で、展延加工ができる。
3. 不透明で輝くような金属光沢がある。
4. 電気および熱をよく伝導する。
5. 水溶液中でカチオン（陽イオン）となる。