周期表と解説
原子番号と記号のみ記載しています。名称、原子量などは記号順などをご覧ください。
解説
物質の最も基本となる構造として、分子、それを構成する原子、原子を構成する電子、陽子、中性子、中間子などが次々に発見されてきました。
現在ではさらにこれらを構成する素粒子が物質の根源と考えられています。
未発見のものもある素粒子の話は専門書に譲って、原子の世界を少し解説してみました。
原子
原子は中心にある原子核と、原子核の周りを回っている電子でできています。
原子核はさらに陽子、中性子などから構成されています。
以下、説明を簡単にするために原子は電子と陽子、中性子でできている原子核だけでできているとして説明します。
原子番号
原子番号は陽子の数を表しています。
イオンなどの特別な状態でない限り陽子と電子の数も同じになっています。
これに対し中性子は同じ原子であっても数の違うものが存在します。
これを同位体（アイソトープ）と言います。有名なものとしては、重水素、ウラン238など、同位体又は同位体を含むものの名称です。
原子の重さ
原子の重さは、電子=0.00091×10-24g, 陽子=1.67242×10-24g, 中性子=1.67493×10-24g, です。
従って原子の重さは陽子と中性子の重さでほとんど決まってしまいます。
原子質量単位として 12C(陽子6個、中性子6個の炭素)の質量を12と決め、これを基準とした原子の質量(重さ)を原子量といいます。
原子量は同位体を含めた地球上に存在すると考えられる質量の平均値を採用しているため、必ず端数が付いており、又原子番号と原子量の順番が逆転しているものもあります。
電子
電子は電気的にマイナスの電荷を持ち、電子の原子間の移動が電流となります。
ちなみに電気は＋から－に流れることになっていますが、これはまだ電気の正体がわかっていない時代に決められこれがそのまま使われているのですが、実際の電気の流れはマイナスの電荷を持つ電子の移動であるので、電気はマイナスからプラスに向かって移動する、というのが本来の姿です。
陽子
原子核の中の陽子はプラスの電荷を持ち、原子全体では電子と陽子の電荷がつりあって電気的には中性になっています。
電子と陽子の電荷は符号が逆ですが同じ電荷 1.602×10-19C を持ちます。
中性子
中性子は電荷を持ちません。電子は原子核の周りの軌道上にあって自由に運動しています。
電子が回る軌道を電子殻といい電子殻に入れる電子の数は決まっています。
最外殻の電子の数と化学的性質
電子軌道の一番外側を最外殻といい、この大きさが原子の大きさになります。
電子殻の内側からの名前と存在できる電子の数は次の通り。
K(2個),L(8個),M(18個),N(32個),O(50個),P(72個)
最外殻の電子の数は、その原子の化学的性質に密接な関係を持ちます。
この内Kは2個、L以降は8個の電子が入った原子を希ガスといい化学的に極めて安定で化学反応を起こしません。
He,Ne,Ar,Krなど、周期表の右端に並んでいる元素がこれにあたります。
化学反応と核反応
ちなみに電子の移動や共有による物質の変化を化学反応というのに対し、原子核に変化を起こさせる反応を核反応といいます。
陽子や中性子が減少する反応が核分裂、増加する反応は核融合です。
化学反応では、反応前と反応後の物質の質量は変わりませんが、核反応では核分裂、核融合いずれの場合も質量の一部がエネルギーとなって失われます。
失われる質量とエネルギーの関係は、有名なアインシュタインの方程式 e=mc2 に従っています。
これ以外の原子では希ガスに近づく方向に化学反応が起こります。
例えば Na は L殻に1個の電子を持っています。
この場合ナトリウムは最外殻の電子を1つ放出して陽イオンとなりやすいのです。
Cl は逆に M 核の7個の電子が8に1つ足りないため、電子を取込んだ陰イオン化しやすい原子です。NaとCl は1つずつの過不足なので、1つずつの原子が反応してNaCl(塩化ナトリウム=塩)になります。
このような関係もあって、周期表の同じ属の原子は化学的に似た性質を持っています。
電子は普通原子番号順に内側の電子殻から順番に入っていくのですが、例えば K,L,M 殻に 2-8-8と入ったAr(アルゴン)の次のK(カリウム) は 2-8-9 にならずN殻に電子が入って2-8-8-1 の電子配列になります。
このように内側の電子殻が空いているまま最外殻がある場合に次の電子が内側の電子殻に入る元素を遷移元素と言います。遷移元素は3～11属の全てと全てのランタノイド、アクチノイドが該当します。
元素中の金属と非金属の区別の明確な定義はありません。
一般的に金属と分類されるものを、表にまとめておきましたので、【純金属の物理的性質一覧】ページを参考にしてください。