元素 http://www.webelements.com 元素（element）： 身近に接している物質を構成している要素 ナトリウム バリウム いろいろな元素（s-Block） 典型元素（Typical Elements） 1803年 Daltonの原子説 ストロンチウム 銅（カッパｰ） カリウム＋水 Ds ナトリウム（Na）, Sodium darmstadium 2003/8/16 原子番号は１１ 1 Copyright: A.Asano カルシウム（Ca）, Calcium 原子番号は２０ マグネシウム 2 Copyright: A.Asano 3 Copyright: A.Asano いろいろな元素（p-Block） いろいろな元素（d-Block） いろいろな元素（f-Block） 典型元素（Typical Elements） 遷移元素（Zn, Cd, Hgを除く） 遷移元素（Transition Elements） 炭素（C）, Carbon 原子番号は６ 沸点：-182.9℃ （90.2K） （Transition Elements） 酸素（O）, Oxygen 水銀（Hg）, Mercury 原子番号は８ 原子番号は８０ 非金属は黄グループ（B, Al, Ga, Inなどは金属） Copyright: A.Asano 4 Copyright: A.Asano ガドリニウム（Gd）, Gadlinium 金（Au）, Gold 原子番号は６４ 原子番号は７９ （貴）金属は赤グループ ランタノイド系（Lanthanoids） 5 Copyright: A.Asano ウラン（U）, Uranium 原子番号は９２ アクチノイド系（Actinoids） 6 1 http://www.nrlm.go.jp/ ＳＩ単位系（国際単位系） 質量（mass）と重さ（weight） ７つの独立した次元をもつ量 質量（mass）と重さ（weight） 質量： ［定義］国際原器を1 kg とする。 重さ： 質量と重力加速度の積 m ［メートル］、 kg ［キログラム］、 s ［秒］、 A ［アンペア］ 1024 ヨタ Y 10-1 d 1021 ゼタ Z 10-2 c 1018 エクサ E 10-3 m 1015 ペタ P 10-6 1012 テラ T 10-9 109 G 10-12 ピコ p 106 M 10-15 フェムト f 103 k 10-18 アト a h 10-21 ゼプト z da 10-24 ヨクト y 102 ヘクト 101 デカ 化学で非常に 良く使われる。 重さ＝ 原器用天秤 １） 重力質量（gravitational mass） ： kg原器との比較。 物理、天体など では、この単位 も良く使われる。 8 Copyright: A.Asano 原子量とは何か？ ＋ 計量研究所で開発されたものを右図に示す。 1kgに対して0.1μg(10-10)の分解能を有する。 ２） 慣性質量（inertial mass）： 運動している２つの物体が相互 に及ぼしあう加速度の逆比。力＝慣性質量×加速度。 原子（元素）記号 atomic symbol （symbol of elements）の表示 Ｚ： 原子番号＝ 直径、高さとも39mmの円柱形で白金90％イリジウム10％の合金 [kg m s-2] でできている「国際キログラム原器の質量」を１ｋｇとした。 7 Q 1889年から 質量とは？ n Ａ： 質量数 ＝ 最大密度における蒸留水の質量」。 重さ w [kgf キログラム重]＝ 1 kg × 9.80665 m s-2 Copyright: A.Asano A Z 質量の単位「キログラム」 当初は「一辺が10cmの立方体の体積の 地球上では K ［ケルビン］、 mol ［モル］、 cd ［カンデラ］ の数 の数 12C の質量は、およそ 陽子： （6×1.6726＋6×1.6749＋ 6×9.1094×10-4）×10-27 [kg] 1.6726×10-27 [kg] 中性子： 1.6749×10-27 [kg] Ｑ： 元素記号 電子： 質量数： 質量を表しているの？ なぜ、 質量の数という名前なのでしょう？ 9.1094×10-31 [kg] 12Cの質量は約20.0904 1Hの質量は約1.6735 ＝20.09046×10-27 [kg] 炭素の原子量： 12× 12C 水素の原子量： 1.00782× 1H 倍以上軽いし、中性子は陽子とほぼ同じ質量。 Copyright: A.Asano -27 [kg]、 6×10 -27 [kg]だから 1×10 実際には、自然界には若干の安定同位体が存在 するので、それらの天然存在比をかけ合わせた 加重平均を相対原子質量（原子量）として用いる。 基準を設けて、その倍数を質量の 代わりとして考えると、良い。 10 1962年以降 12Cの質量を厳密に１２とした時の相対値。 例： 1Hは陽子１つ、12Cは陽子６個 比較しづらいし、化学反応 などを議論するのに不便！ に中性子６個だから1Hを１とすれ ば、12Cは約１２。電子は陽子に比べて1800 Copyright: A.Asano 9 Copyright: A.Asano 原子量＝相対原子質量 原子量＝相対原子質量 （relative atomic mass） ー 単位（次元）がない数字 ー 静止質量 1) 刃と刃受けの接触状態を保ったまま分銅の交換ができる。 2) 操作者からの熱放射の影響を受けない遠隔操作型である。 3) 真空容器に格納され，空気密度や分子吸着量が測定できる。 11 Copyright: A.Asano ＋13.00335× 13C ＋2.0140× 2H = 12.0111 精密には現在 12.0107 = 1.00797 精密には現在 1.00794 12 2 分子量とは何か？ モル（mol）（＝物質量, amount of substance）とは何か？ 分子を構成している原子の原子量の総和 物質量： 単位を持つ数値で物理量 NaClのようなイオン化合物は独立した分子をつくらない。 （結晶として存在）このような物質の場合には式量と言う時もある。 物理量： 厳密に定められた単位と相対的な 量的関係を精密に測定可能な量 例： ホルムアルデヒド HCHO の分子量 Ｃ Ｏ 原子量や分子量を１原子や１分子の質量と考えた時 （原子質量単位 amu で表す）、個々の原子や分子の 質量で物質の量を数えることが可能である。 30.0260 1 amu HCHOの分子量は 2×1.0+12.0+16.0 = 30.0 昔は、 1g の 1H 27 原子の個数 16g の 16O 原子の個数 6.0221215×1023 / mol の原子を kg （ g）になる ように計ったときの原子の数と 同数の単位粒子を含む系の物質量。 単位粒子：原子、分子、イオン、電子など 14 Copyright: A.Asano 1 amu 15 Copyright: A.Asano 元素 http://www.webelements.com 元素（element）： 身近に接している物質を構成している要素 1803年 Daltonの原子説 12 g / mol 1 [g] 23 6.0221215 10 / mol 12 1.6605444 10 24 [ g ] また、12Cの陽子、中性子、電子の静止質量から 1 amu 現在の定義に基づいた最も正確な値 Copyright: A.Asano / 12 1.6742 10 原子質量単位（amu）は 12C原子１個の質量 であるから、物質量の定義から、 12g の 12C 原子の個数 NA = 6.0221367×1023 / mol NA = 27 補遺：原子質量単位 １ molの粒子数 定数と言って おきながら、 微妙に変わって きた。 20.0904 10 １ mol ： [kg] 13 Copyright: A.Asano Avogadro定数 独立した分子をつくる化合物（例えば水や酸素）も、 独立の分子を作らないイオン化合物（例えば塩の結晶）も、 １物質量（＝1 mol）を構成する分子の数は同数。 原子量（or 分子量）： 単位をもたない数値 2×1.00794+12.0107+15.9994 = 30.02598 Ｈ Avogadroの仮説（気体） 同温同圧のもとで、同体積中に存在する 分子は一定数である。 24 / 12 1.6742 10 24 Ds [g] darmstadium 2003/8/16 上記との差は、陽子と中性子の間に働く核結合力で 実際の質量が計算値より減少することから生じている。 2004/1月 産業技術総合研究所計測標準研究部門（現在最も正確） 20.0904 10 16 Copyright: A.Asano 17 Copyright: A.Asano 18 3 周期律 （periodic law） 周期表 最後の電子が入る軌道の種類に応じて色分けしてある表 例えば： 価電子の数を原子番号にもとづいて 並べると周期的に変化する。 典型元素 S IA IIA ア ル カ リ 金 属 D.I. Mendeleev (1834-1907) 1869-1872 • 原子量の増大と化学的性質の周期性 J.L. Meyer (1830-1895) 1864-1869 • 原子量の増大と物理的性質の周期性 最外殻の電子配置（価電子の個数）が似ているもの同士は、 化学的、物理的性質は似ていて、上図のような周期性をもつ。 Be: 1s22s2 Mg: 1s22s22p 63s2 Ca: 1s22s22p63S23p64s2 周期表は、この周期律を利用して、縦軸 （族）に最外殻の電子配置が同じものが 来るように横軸（周期）に価電子の周期 性が来るように配置されている。 19 Copyright: A.Asano IIIA IVA VA VIA VIIA VIII p IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 0 非金属 希 土 類 d 遷移元素 周期性をもつ化学的、物理的性質のいろいろ noble gases 化学的性質 希 ガ ス 各種性質の周期性： （１）イオン化エネルギー (ionization energy) : IE 各種性質の周期性： （２）電子親和力 (electron affinity) : EA 金 属 各種性質の周期性： （３）電気陰性度 (electronegativity) : ア ル カ リ 土 類 金 属 ハ ロ ゲ ン Ds 物理的性質 各種性質の周期性： （４）原子半径 (atomic radius) 希土類 各種性質の周期性： （５）イオン半径 (ionic radius) f Copyright: A.Asano メタロイド（金属と非金属の中間） 20 21 Copyright: A.Asano 第1イオン化エネルギー IE値の３次元図示 各種性質の周期性： （１）イオン化エネルギー (ionization energy) : IE 安定な電子配置 He 電子の安定な電子配置は最外殻に＿個電子が存在す るときであり、これは希ガスの電子配置の電子数である。 イオン化エネルギー＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ Ne 遷移元素も含む 典型元素 F ＿＿＿＿＿であり、電子が原子にどのくらいの強さで束縛されて NO いるのか、目安を与える。 A (gas) IE A (gas) e− (gas) B Be イオン化エネルギーは • 同一周期では有効核電荷が増えるため、増加する。 Ar Cl Kr Br Xe I Rn At （陽子の数が増え、電子は同一殻に入るため） • 同一族では最外殻の電子のエネルギーがマイナスから０に近 づくので、電子を取り去るエネルギーは０に近づく（減少）。 最初に電子を１つ引き抜くときのエネルギーを第１イオン化エネ ルギーと言う。１つ引き抜かれたA+の状態からさらに１つ電子を Hg 遷移元素 22 Copyright: A.Asano 23 Copyright: A.Asano Sc Y Hf 減少 引き抜くエネルギーは第２イオン化エネルギーと言う。以降同様。 Copyright: A.Asano C H ー ルギ 化エネ イオン 加 の増 24 4 電子親和力 EA値の３次元図示 各種性質の周期性： （２）電子親和力 (electron affinity) : EA 遷移元素も含む 電子親和力は＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿（例外はアルカリ土類と希ガス）エネルギーであり、原子が電 子を引き寄せる度合いの目安となる。 B (gas) e− EA 各種性質の周期性： （３）電気陰性度 (electronegativity) : F Cl 典型元素 C 加 の増 親和 力 電子 になりやすい。 電子を放出して 遷移元素 Pt Au ＋ 0 に La なりやすい 典型元素 Br At Cl F I 25 ポーリングの電気陰性度 値の３次元図示 C 典型元素 Cl Br B IEとEAの値の相加平均値 Copyright: A.Asano χA χ B 26 I Be •共有結合半径を原子半径とする。 Hg Cd Zn 減 Copyright: A.Asano 27 核間距離 加 の増 陰性 度 電気 共有結合半径 少 遷移元素 と定義した。 実際には電 子の広がり があるので、 左図に示した 一定の半径 球のみで全 ての電荷雲 を囲むことは できない。 •Van der Waals半径や金属結合半径を原子半径とする。 La EA A 2 原子の相対的な大きさ（Å= 0.1 nm） 単体の分子や結晶中の最小原子間距離の半分を原子半径とする。 W IE A Copyright: A.Asano At H χA AB 実測の右辺に合うように各原子 の電気陰性度を決定した。 Ar Xe Kr ー 原子の大きさである、原子半径は、Heisenbergの不確定性原理 により、電子の軌道がはっきりと決まらないので、直接には 正確な数値を求めることはできない。 O N マリケン 化合物ＡＢの結合の安定化エ ネルギーを ABとしたとき、 MgBe 各種性質の周期性： （４）原子半径 (atomic radius) F 遷移元素も含む ポーリング Li へ 電子を受け取り Copyright: A.Asano *: A.L. Allred, J. Inorg. Nucl. Chem., 1961, 17, 215. 少 減 イオン化エネルギー（IE）値が小さいほど 非金属元素：EA値もIE値も大きい At B になりやすい。 金属元素：EA値もIE値も小さい I N O Li B(gas) 電子親和力（EA）値が大きいほど 電気陰性度は分子中で原子が電子を引寄せる能力を測る尺度を相 対的に表した数値。L.Pauling(1932)は結合エネルギーから水素原子 の陰性度を2.20とした時*の相対値を算出した。R.S. Mulliken（1934） は電子親和力とイオン化エネルギーの相加平均値を電気陰性度とし た。両者の値にはほぼ比例関係が成り立つことがわかり、現在は数 字的に扱いやすいポーリングの電気陰性度が用いられている。 Br 28 Copyright: A.Asano 29 Copyright: A.Asano 30 5 各種性質の周期性： （５）イオン半径 (ionic radius) イオンの相対的な大きさ（Å= 0.1nm） H＋ イオンを便宜上、球形と考えた時の半径。 算出方法により値が変わる。 Li＋ 0.60 Be2＋ 0.31 B3＋ 0.20 O 2− 1.40 F− 1.36 Na ＋ 0.95 Mg2＋ 0.65 Al3＋ 0.50 S2− 1.84 Cl− 1.81 K＋ 1.33 Ca 2＋ 0.99 Ga 3＋ 0.62 Se2− 1.98 Br − 1.95 Rb＋ 1.48 Sr 2＋ 1.13 In3＋ 0.81 Te2− 2.21 I − 2.16 • 固体結晶の場合： 陽イオンと陰イオン、２つのイオン半径の和が それらのイオン結晶の核間距離に等しくなるように定義。 • 溶液の場合： 溶媒和したイオン半径をストークスの拡散の関係式 から電気伝導度に合うように定義される。この場合、電荷にも依存。 １つの周期内にお いて陽イオン半径 は陰イオン半径よ り常に小さい。 陰イオンは電荷が 大きいほど半径も 大きい。 固体結晶の場合 ー イオン半径 核間距離 ＋ Cs＋ 1.69 Copyright: A.Asano 31 Copyright: A.Asano Ba 2＋ 1.35 Ti3＋ 0.95 32 6
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