【高校化学】原子の構造・電気陰性度を簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(原子の構造・電気陰性度)

この記事の読者層と記事作成の理由

化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生・高校生・化学科の大学1年生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧はコチラから。

youtubeでも原子の構造や電気陰性度について解説をしております。

原子の構造

Twitterの原文ママ

世の中のモノは全部原子からできていて、原子の中心は原子核、その周りに電子殻(電子の軌道)があるよ。原子核は陽子と中性子で構成されていて、電子殻には電子が存在する。「かく」の字に注意!中心だから「核」で、「核」を覆っている殻だから「殻」ね。https://bit.ly/2PF4w6D

原子の構造について

解説コメント

化学わからん。原子って何なん?

わかる。マジで意味不明よな。原子って何なん?は?

君らの周りにあるものは全部『原子』っていう小さい粒でできてるんや。いわば、LEGOブロックのブロックみたいなもんや。くっつけ方によって色んなもん作れるやろ?原子について解説していくで!

原子は何からできている?

原子は、陽子(+の電荷を帯びた粒子)っていう粒と電子(−の電荷を帯びた粒子)っていう粒と中性子(電荷を帯びていない粒子)っていう粒からできている。陽子と中性子は原子の中心部分に存在している。この中心部分のことを『原子核』っていうんやわ。原子の『核』となる部分やからな。

何でも原子からできている。あなたの身体も地球も。何でもね。

ほんで、電子っていうのはその原子核(陽子と中性子)の周りを飛び回っとる。この飛び回る軌道のことを『電子殻』っていうんや。原子核を覆っている『殻(から)』みたいやろ?だから電子『殻』な。

原子の構造ですね。はい。
人の身体も原子でできている。歯に詰まったネギもデヴィ夫人もダイヤモンドも。
原子番号って何なん?

原子番号っていうのは、いわば原子の背番号。さっきも言った通り、原子っていうのは物を構成する最小単位(最小の粒)のこと。色んな原子が存在するんやわ。例えば陽子が 8 個の原子もあれば、陽子が 1 個の原子もある。だから、陽子の数で原子の背番号を決めようっていうわけやな。順番に陽子の数が 1 個の原子は原子番号 1 ,陽子の数が 2 個の原子は原子番号 2 ってな感じや。

なんで陽子の数が原子番号になったん?

いい質問や。そうやな。別に中性子の数でもええやん。って話やもんな。解説していくな。

陽子って原子核っていうところに入っているって言ったよな。そんな狭い空間に陽子(+の粒子)がいっぱい集まってると反発し合うとは思わんか?

+の電気同士反発するわな。そこで接着剤代わりになってるのが中性子なんやわ。そんなたかが接着剤の役割しか果たさない脇役を背番号にするのはちとおかしいっていうわけで原子番号は陽子の数。ちなみに、原子において、陽子数=電子数なので、原子番号は電子の数でもある。でも、『原子番号=陽子数』で覚えておいてね。(※中性子数は同位体の関係から同じ原子でも同位体数の差が出てくることも起因していると思われる。)

背番号さえあれば、30番!といえば誰が誰かわかるようになる。

なるほどね。陽子っていうやつは重要な粒なんやね。原子番号 1 番ってことは陽子数1個って感じか!

【まとめ】原子番号=陽子数

質量数って何なん?

さてと。質量数についても解説していきたいと思うよ。陽子や中性子や電子みたいなちっさい粒にも質量があるんやな。

えぇぇぇ〜〜〜〜!そうなん!!!?やばすぎる。やばやばやば…ぶくぶくぶく。

先生、上田くんが倒れました。

陽子にも中性子にも電子にも質量(≒重さ)はあるんだわ。で、どのくらいの質量かというと、陽子を 1 とすると、中性子も大体同じくらい 1 くらいの質量になる。電子はたったの1/1840しかない。

ということは、

『原子の質量=陽子の質量+中性子の質量+電子の質量≒陽子の質量+中性子の質量』

って言えるわな。

電子は非常に軽い。軽すぎるので無視していいんだわ。うん。

そこで、この陽子の質量を 1 、中性子の質量を 1 、電子の質量を0として原子の質量を数えたときの数が質量数となる。ではここで例題。

例題:陽子が 2 個、中性子も 2 個、電子も 2 個存在する原子の質量数は?

陽子が2個で中性子も2個だから…

4じゃね?

気絶してたのによくわかったね。上田くん^^

【まとめ】質量数=陽子数+中性子数

電子の軌道(K殻・L殻・M殻・N殻)

Twitterの原文ママ

電子殻には種類があって内側からK殻・L殻・M殻・N殻です。収容できる電子の数は2n^2ですね!K殻は2個、L殻は8個、M殻は18個。M殻は8個入った時点で次は一旦N殻に入りますよ!例えばカリウムなら、K2L8M8N1という電子配置になります。M9に入るよりN1に入る方が楽なんよ。https://bit.ly/2PF4w6D

各電子殻の電子配置

解説コメント

それじゃあもうちょい深く、電子殻の話していくからな。電子の通る道とか軌道のことを電子殻っていうんやな。電子殻には種類があるんや。

で、で、で、で、電子殻に種類が!!!?

上田くん、リアクション間違ってるよ。

電子殻には種類があるんよ。原子核に一番近い内側の電子殻をK殻、その外側の電子殻をL殻っていう。ちょっくら電子殻の勉強をしていこう。

電子殻の種類って何?

電子殻は原子核に近い内側から順番にK殻、L殻、M殻、N殻って名付けられている。各々の電子殻に入れる電子の数っていうのが決まってるんや。K殻が 2 個、L殻が 8 個、M殻が 18 個、N殻が 32 個や。規則性があって、次の式で表すことができる。

(n番目に内側である電子殻に入ることができる電子の数)=2n2

つまり、1番内側のK殻に入ることができる電子の数は2×12 = 2〔個〕ってな具合だな。2番目に内側のL殻に入ることができる電子の数は2×22 = 8〔個〕っていうこと。

なるほど。話変わるんやけど、なんで『K』っていう中途半端なところからスタートしてるん?

電子殻を発見した人が初めてK殻を見つけた時に、「これが一番内側とは限らへん!もしこの殻(のちのK殻)より内側に更なる電子殻があったとしたら…とりあえずアルファベットの真ん中あたりのK殻っていう名前にしとこ。」という話だそうよ。

Zzz…

先生、上田くんが寝ています。

電子は内側の殻から入っていく

電子は内側のK殻から順番に入っていく。K殻に入れる電子の数は 2 個だわね。 2 個入って、もうK殻には入れないとなったら次の 3 個目の電子はL殻に入っていく。

どうして電子は内側のK殻から順番に入っていくんですか?

原子核に近い殻から順番に入るからなんだわ。どういうことかというと、原子核には+の電荷を帯びた陽子が存在する。電子は−の電荷を帯びた粒子なので、できる限り陽子に近いところの電子の通り道(軌道)にいたいんだな。+と−は引き合うからね。

なるほど…。静電気的な力で+と−が引き合ってるってことか…。

上田くんは寝てるのに理解力が半端ないね。

ということで、例えば電子を 4 つ持っている原子の電子配置(電子がどの電子殻に存在しているか)はどうなっているだろうか?

答えは、Kに 2 個、Lに 2 個入っているという状態になる。

では、電子を 10 個持っている原子の電子配置はどうなっているだろうか?

答えは、Kに 2 個、Lに 8 個だね。

電子を 19 個持っている原子の電子配置はどうなっているだろうか?

答えは、Kに 2 個、Lに 8 個、Mに 9 個。と言いたいところなんだけど…。

磁石のS極とN極が引っ付くように、電荷の+と−は引っ付く。

実はK2L8M8N1なんだわ。Mは最大で18個の電子を収容することができるわな。だからM9って考えたい。でもM8N1になる。

なんでよ!!?嘘つき!!


すまん!!許してくれ!!嘘じゃないんや。説明させてくれ。M8まで入った時に、次の電子がM9に入るか、N1に入るか悩むんや。M殻の方がN殻より原子核に近いわな。だからM9じゃねーのかよ!って話やわな。でもM9に入るよりN1に入りたいんや。事情はまた説明するから!!!

M9に入らず、N1に入って、M8に入るより、電子はN1に入りたかったのだ。

電子軌道という難しい話が関わってくるんだけど、とりあえず、M殻は一旦M8になった時点で満足した電子配置をとるんだということを覚えておいてくれ。化学用語で、『半閉殻』っていう安定な状態になるねん(閉殻とは安定な電子配置のこと。)。この言葉は1秒後に忘れてくれていい。とにかく『M8の次はN1に入る。』これだけを覚えてくれ。

そして、電子を 20 個もっている原子の電子配置はK2L8M8N2となる。

ではその次の『電子を21個もっている原子の電子配置』はどうなっているだろうか。

K2L8M8N3ですかね…?

賢い!考え方としては合ってる。けど、答えは違うんだわ。K2L8M9N2になる。Nの3番目に入るよりMの9番目に入りたいんだよ。電子は。ここまで覚えてくれたら上等だよ。

例題:電子20個の原子の電子配置を記せ。

K2L8M8N2

例題:電子21個の原子の電子配置を記せ。

K2L8M9N2

こんな感じだ。ちなみに電子20個の原子とはカルシウムCaのこと。そして、電子21個の原子とはスカンジウムScのこと。スカンジウムはN3にならずにM9の電子配置をとる。この現象を『遷移する』っていうんだよ。だから、Sc以降の原子って『遷移元素』と呼ばれているんだわ。教科書の巻頭に掲載されている周期表をチェックしてみて!

ちょっと難しいけど知ってるとおトクな話

Sc以降の原子も電子はN殻には入らず、M殻にどんどん入っていく。ということは最外殻電子(収容されている原子が存在する一番外の電子殻)の数は常に2個になる。最外殻電子の数(厳密には価電子の数)がその原子の性質を決める。したがって、Sc以降の元素である遷移元素はどれも性質がよく似ている。(つまり、周期表で遷移元素の箇所に関しては縦よりも横に類似性がみられる。)

電気陰性度

Twitterの原文ママ

電気陰性度は共有電子対を引きつける度合いのこと。化学反応は全部電子の動きなのですごく大事な単語!電気陰性度最強はF。Fは水に放り込んだらH2OのOすらも酸化させてO2を発生させる恐ろしい奴です。ハロゲンは電子1個で希ガスと同じ閉殻構造を取れるから電気陰性度最強。https://bit.ly/2PF4w6D

電気陰性度

解説コメント

さて。いよいよ電気陰性度や。これめちゃめちゃ大事な言葉やからな。化学を勉強する上で一番大事な言葉って何?って言われたら電気陰性度って言えるくらい大事や。

電気陰性度?何それ?陰性度って何?

電気陰性度っていうのは、簡単に言うと、各原子の電子の欲しい度合いのこと。各原子、例えばフッ素原子Fが「電子が欲しい。」と思ってる度合いと酸素原子Oが「電子が欲しい。」と思ってる度合いが違う。フッ素原子Fの方が酸素原子Oよりももっと「電子が欲しい!」と思ってる。ということは電気陰性度はF>Oとなる。

でそれが何になるの?

電気陰性度を知ると、どんな反応をするのかとかこの物質は水に溶けやすいのかとか化学的な色んな性質を考えることができる。例えば水が100 ℃という高温にならないと沸騰しないのも電気陰性度が関係しているんじゃよ。

電気陰性度って何なん?

原子と原子が結合すると分子になる。この結合の際に使われるのが電子。特に反応に関与する原子を『価電子』というよ。価電子という単語は覚えてくれ。価電子とは、最外殻にある電子のこと。反応に関与する電子=一番外の電子殻の電子ということだな。これは感覚的にもわかるよね。内側のK殻などに入ってる電子は原子核と強く引き合ってるからなかなか反応に関与しない。でも、外側の電子は原子核から遠いので反応するよって感じ。(厳密には、希ガスを除くため、価電子=最外殻電子ではない。

例えば、『X・』と『Y・』という2つの原子があるとする。(『・』は価電子を表す。)この2つの原子が反応して、結合すると、『X:Y』という分子になる。このXとYの結合に使われている、XとYとの間で共有されている電子の対のことを共有電子対という。(共有されていない電子対は非共有電子対という。電子式の話なので今回は割愛。)

この共有電子対『:』はXとYどちらの物(電子)だと思う?

さぁ?そりゃあ『共有』っていうんだから、2人のものなんじゃないの?

いや、Xだな。X!!!

有田ちゃんの言う通り、共有しているんだから、たしかにXとYの2人の電子って言えるよね。でも、Xの方がYより電気陰性度が大きかったらどうだろうか?

Xだろ!!!あの共有電子対(:)はXのものだ!!!

そう、その通り。電気陰性度がX>>Yならば、共有電子対の取り分は完全にXの物となる。XとYの間に電気陰性度の差がほとんどない場合はこの共有電子対は二人の物となる。X>Yって感じだったら、この共有電子対の取り分はXが多め、Yが少なめとなるんだよ。つまり、電気陰性度の差が共有電子対の取り分を決めるというわけ。

電気陰性度がX=Yである時は、共有電子対は2人のもの。X>>Yなら、Xのもの。X>Yであれば、Xの方が取り分が多めとなる、ということ。おさらいしておくと、

『電気陰性度とは、共有電子対を引きつける度合い』であるということ。

では、電気陰性度が地球一最強の原子はなんだと思う?

いやいや笑 わからんやろそんなん!急に言われても。

まあせやな。いや…まあせやな。

フッ素!!!

Don’t google it!!!

電気陰性度最強の元素って何なん?

フッ素が電気陰性度最強の元素です。ちなみに電気陰性度大きい順を紹介すると、

F>O>N=Cl

となる。これはめちゃくちゃ大事だから覚えてくれ。マジで覚えろ。

歯磨き粉にはフッ素が含有されている。まさかフッ素単体じゃないよ!単体のフッ素はめちゃくちゃ危険だからね。多分歯磨き粉に使うと口の中が溶けます。というかその前に歯ブラシが溶ける。

Fが最強なのは、

  1. あと1個で閉殻構造である希ガスの電子配置(ネオン)を取れるから
  2. その1個がK殻に入るから

だな。

希ガス(18族元素)は最外殻電子が 8 となっている。(ヘリウムは 2 だけどね。)この最外殻電子が 8 個充填されている構造(ヘリウムの場合は2個充填されている構造)を『閉殻構造』という。閉殻構造も大事な言葉なので押さえておきなさいよ!!!『閉殻構造=めちゃくちゃ安定な構造』なので、全ての原子は希ガスの電子配置である閉殻構造に憧れを持っている。水素も酸素も窒素も塩素もフッ素も、みーーーーんな希ガス様の電子配置に憧れているんだな。

フッ素の電子配置を確認すると、あと1個で希ガス様のネオンの閉殻構造を取れる。ということは、フッ素としては、「どこかから奪い取ってでも早くネオンの閉殻構造になりたいんじゃけ!!!(つまり電子が死ぬほど欲しい)」と喚いている状態。

『電子が死ぬほど欲しいと喚いている=電子が欲しい=電気陰性度大きい』

となるわけだ。あと、K殻って原子核にめっちゃ近いでしょ。陽子が存在するところにすごく近いところの電子殻なんですね。だから、電子を引き込み易い(−の粒子を+の原子核が引き込みやすい)。M殻とかの原子核からめっちゃ離れたところの電子殻に電子を呼び込むのとK殻みたいに原子核に近いところの電子殻に電子を呼び込むのとでは全然わけが違うという話です。K殻に電子を呼び込む方が楽。だから、電気陰性度最強はFなのね。(一般に、18族の希ガスを除いて周期表の右上が電気陰性度大、左下が電気陰性度小。)

水の沸点が異常に高い理由

分子の沸点が決まる要素って何だと思う?実は、一般的には分子量の大小が沸点に直結する。分子量が小さい分子は沸点が低いし、分子量が大きい分子は沸点が高い。

確かに、メタンCH4分子量16しかないですもんね。私、気体のメタンガスしか見たことがないわ〜〜マジ:Dわろわろ。

プロパンC3H8分子量44しかないもんな。プロパンガスもガスだもんな。

おぉ。冴えとるな今日は2人とも!その通りで、分子量20とか30とかその辺の分子は割と気体であることが多いんや。これはファンデルワールス力っていう力の関係のせいなんやけど、分子量18のH2Oは普段どういう状態で存在してる?

液体やなあ。沸点は、、、えぇっと、あぁそうそう、100 ℃ね。高っ。

分子量がたったの18しかないのに沸点が100 ℃っていうのははっきり言って異常なんよ。これも電気陰性度が関係してるんや。

ここではファンデルワールス力っていうのがどういう力なのかは一旦割愛するけど、分子同士はファンデルワールス力っていう弱い力で引き合ってるんや。ある1分子とある1分子が引き合うと、よわ〜く2分子が集まる。またそこに1分子がファンデルワールス力で集まって…結果、いっぱい集まって固体の状態になっている。このファンデルワールス力の強さはその分子の分子量に比例してるんや。

つまり、分子量の大きい分子はファンデルワールス力も大きい。つまり、強固に結びつき合って、強固な固体になってるというわけ。逆に分子量の小さい分子はファンデルワールス力は小さい。つまり、弱く結びつき合ってるだけなので、すぐにバラバラ(気体)になるというわけ。だから、メタンCH4なんかは分子量がたったの16しかないので、普段から気体で存在している。メタンの液体って普段生活していて見ないでしょ!?それはメタンの分子量が小さいから(つまり、ファンデルワールス力が小さいから。)なんだな。

ではどうして、H2Oの分子量は18にも関わらず、沸点が100℃(高温)になるのか。

これは『水素結合』という結合が関係してくる。HFやNH3やH2Oは各原子同士(HとF,NとH,HとO)の電気陰性度(e.n.)の差が非常に大きい。分子内に『極性』をもつんですね。(例えば、H-FであればFがδ-の電荷を帯び、Hがδ+の電荷を帯びることを『極性をもつ』と表現する。)極性をもつと、δ-の電荷を帯びたフッ素原子は他のフッ化水素のδ+の電荷を帯びた水素原子と分子間で水素結合するようになるわけです。『H-F・・・H-F・・・H-F』のような感じ。(実際はギザギザに結合している。テキストなので、ギザギザに書けない!!!)

水が沸騰している。100 ℃になるまで沸騰しないなんて異常なんだよ。マジで。

沸騰させるというのは分子をバラバラにすることですから、水素結合を切断しないと沸騰しないわけです。この水素結合を切断するために余計にエネルギーが必要となるので沸点が高いんですね。

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。