【化学基礎】同位体、電子配置が”わかる”～図解あり～

2023年8月3日2023年8月26日

原子ってどんな構造になっているの？

物質は、原子という極めて小さな固有の粒子に分けられます。

元素それぞれに原子があるため、元素は原子の種類を表しており、元素記号は原子を表す記号として用いられています。今回は、原子の構造について、演習問題を通して解説していきます！

本記事は以下のような人におすすめです。

原子番号や質量数の意味や表記方法がわからない
同位体がよくわからない
電子配置を理解して価電子を求められるようになりたい

本記事を読んで、原子の構造についての問題を攻略しましょう！

問題

次の各原子について、下の各問いに答えよ。
(ア)\(\mathrm{^{12}_{6}C}\),　(イ)\(\mathrm{^{14}_{6}C}\),　(ウ)\(\mathrm{^{16}_{8}O}\),　(エ)\(\mathrm{^{32}_{8}O}\),　(オ)\(\mathrm{^{40}_{20}Ca}\)
(1) (ア)と(イ)のような原子を互いになんというか。
(2) 原子核中の中性子の数が等しい原子はどれとどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
(3) 最も外側の電子殻がN殻である原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
(4) 価電子の数が最も少ない原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
2020セミナー化学基礎 | 第一学習社

略解

(1) 同位体
(2) (イ)と(ウ)
(3) (オ)
(4) (オ)

テキスト

原子には、陽子の数を表す原子番号や原子核中に含まれる陽子の数と中性子の数の和を表した質量数などがあります。これらの表記方法について説明します。

原子の構成表示

原子の構成表示は右のようになります。
元素記号に対して、左上が質量数、左下が原子番号を表します。
質量数＝陽子の数＋中性子の数
原子番号＝陽子の数＝電子の数
が成り立ちます。
※質量数に電子の質量が含まれない理由
　陽子：中性子：電子＝1：1：\(\displaystyle\frac{1}{1840}\)
　という質量比が成り立ちます。
　よって、電子の質量はほぼ無視することができます。

天然に存在する水素原子\(\mathrm{H}\)は、質量数が1のもの、２のもの、3のものがあり、これらを水素の同位体と呼びます。同位体とはどのようなものなのでしょうか？

同位体

同位体：原子番号が等しく、質量数が異なる原子のこと。

例えば、水素には3つの同位体があります。
中性子の数に応じて左の図のように名前がついています。
中性子の数＝質量数－陽子の数(原子番号)が成り立ちます。
中性子の数が異なるだけなので、性質はどれも似ています。

次に、電子殻と電子配置について解説します。

電子殻と電子配置

原子中の電子は、電子殻と呼ばれるいくつかの層に分かれて原子核の周りに存在しています。(右図)
電子殻には名前がついていて、原子核(＋)に近い方から、K殻、L殻、M殻、N殻となっています。
1つの電子殻に入れる個数には限りがあり、それは電子殻によって異なります。
(内側からn番目の電子殻に入る電子の数)＝\(2 \times n^2 \)個となります。
しかし、実際はK殻のみ2個で、残りのL殻以降の電子殻には最大で8個までしか電子を収容できません。

電子は一般的にK殻から順に収容されえます。
\(\mathrm{Na}\)の場合左の図のように、まずK殻に2つの電子が入り、次にL殻に8個の電子が入り、残りの1個がM殻に入ります。これを、電子配置といいます。
もちろん、原子番号＝陽子数＝電子数が成り立ちます。

電子配置と一緒に価電子についても確認しましょう。

価電子

原子の最も外側の電子殻にある電子は、最外殻電子と言われます。
左図の場合、最外殻電子は黄色で示した電子です。
最外殻電子は、他の原子と結合するときに重要な役割を果たすので「価電子」と呼ばれています。
※貴ガスの価電子はゼロ。(最外殻が全て電子で埋まってしまってる場合、結合の働きをする電子が存在しないから。)

価電子(最外殻電子)の求め方

毎回上のような電子殻の図を書くのは大変です。よって、最外殻電子は簡易的な表記で求めます。
電子殻は右の図のように内側からK殻、L殻、M殻、N殻となっています。そこで、殻名＋電子数で電子の数を表していきます。
ex) K2, L8, M,3
上記の例だと、K殻に2個、L殻に8個、M殻に3個の電子があることを表します。
例の場合、価電子は3であることがすぐに分かります。

解説

次の各原子について、下の各問いに答えよ。
(ア)\(\mathrm{^{12}_{6}C}\),　(イ)\(\mathrm{^{14}_{6}C}\),　(ウ)\(\mathrm{^{16}_{8}O}\),　(エ)\(\mathrm{^{32}_{8}O}\),　(オ)\(\mathrm{^{40}_{20}Ca}\)
(1) (ア)と(イ)のような原子を互いになんというか。
(2) 原子核中の中性子の数が等しい原子はどれとどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
(3) 最も外側の電子殻がN殻である原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
(4) 価電子の数が最も少ない原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。
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(1) (ア)と(イ)のような原子を互いになんというか。

原子番号は同じで、質量数が異なる原子なので同位体です。

A. 同位体

(2) 原子核中の中性子の数が等しい原子はどれとどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。

中性子の数＝質量数－陽子の数(原子番号)の式を用います。
(ア) 中性子数＝12－6＝6
(イ) 中性子数＝14－6＝8
(ウ) 中性子数＝16－8＝8
(エ) 中性子数＝32－16＝16
(オ) 中性子数＝40－20＝20
よって、(イ)と(ウ)の中性子数が互いに8個で一致しています。

A. (イ)と(ウ)

(3) 最も外側の電子殻がN殻である原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。

N殻は内側から数えて4番目の電子殻です。(K殻→L殻→M殻→N殻
K殻には電子が2つ、L殻、M殻には電子が8個ずつ入るので、19個目の電子からN殻に入ることになります。
原子番号＝陽子の数＝電子の数の式を使うと、原子番号が19以上のものは\(\mathrm{Ca}\)です。よって、答えは\(\mathrm{Ca}\)になります。ちなみに、カルシウムは第4周期の元素であるため4番目のN殻に電子を持ちます。

A. (オ)

(4) 価電子の数が最も少ない原子はどれか。(ア)～(オ)の記号で記せ。