高校化学基礎 イオンの生成—電子の受け渡しから電荷と粒子の数を求める｜武蔵野個別指導塾

電子を失う場合と受け取る場合を比べ、陽子数を保ったままイオンの電荷と電子数を求めてみましょう。

よくあるのは、陽イオンになると陽子が増えると考え、原子の粒子数を書いたところで手が止まる場面です。正の電荷を帯びるという結果から、正の電気を持つ陽子が増えたと考えたくなります。しかし、ここで追うのは電子の出入りです。原子核にある陽子の数を保ったまま、電子が減ると正の電荷が残ります。符号の暗記に入る前に、変化の前後で何が残り、何が移るかを紙の上でたどりましょう。

問題文から拾う3つの入口

1つ目は、原子が電子を何個失うか、または受け取るかが示され、できるイオンの式を答える型です。失う場合は正、受け取る場合は負です。移動した電子の個数が電荷の大きさに対応します。元素記号の右上に付ける数は、粒子が何個集まったかを示す数字ではありません。

2つ目は、原子番号とイオンの電荷から陽子数や電子数を求める型です。原子番号は陽子の数を表します。電荷を持たない原子では電子数も同じですが、イオンでは電子数を調整します。原子番号をそのままイオンの電子数とする前に、電荷を確認します。

3つ目は、多原子イオンの式を読み、構成原子の種類と数、全体の電荷を答える型です。右下の数字は直前の元素の原子数を、右上の符号はまとまり全体の電荷を表します。両方が同じ数字でも、意味は別です。この範囲ではイオンの生成と表記を扱い、イオン同士が集まった物質の組成式までは立ち入りません。

電子が出入りしても原子核はそのまま

原子は正の電荷を持つ陽子を含む原子核と、その周りの負の電荷を持つ電子からなります。陽子1個の正の電荷と電子1個の負の電荷の大きさは等しいので、両者が同数なら全体の電荷は0です。中性子は電荷を持ちません。イオンになる前の原子が中性であることを、数を考える出発点にします。

図1のように、中性の原子から電子が出ると、負の電荷が減ります。陽子数が変わらないため、正の電荷が負の電荷を上回り、陽イオンになります。逆に電子が入ると、負の電荷が正の電荷を上回り、陰イオンになります。図は電荷の差を示す模式図で、粒子の大きさや位置関係を実物どおりに表したものではありません。

図1では中央の中性原子を基準に左右の変化を別々に示しています。左から右へ続く1回の変化ではありません。陽イオンと陰イオンは電荷の正負で区別し、原子の種類が変わったという意味には読みません。原子核の陽子数はどちらの変化でも保たれます。

電荷の数を、陽子1個の電荷を基準にして数えると、次の関係になります。

電荷の符号付きの数 = 陽子数 − 電子数

例えば差が2なら2価の陽イオン、差が-1なら1価の陰イオンです。これは粒子が何個あるかではなく、1個のイオン全体の電荷を表します。1価は上付きの数字1を書かず、Na⁺やCl⁻のように符号だけを書きます。2価ならMg²⁺やO²⁻のように大きさと符号を右上に書きます。これらの式の読み取りでは、記号1つがそれぞれ1個のイオンを表します。

複数の原子がまとまって電荷を帯びたものが多原子イオンです。例えば硫酸イオンSO₄²⁻は、硫黄原子1個と酸素原子4個からなるまとまり全体で2価の陰イオンです。右下の4は酸素原子の数であり、右上の2は電荷の大きさです。電荷が個々の原子にそのまま2ずつ付くという意味でもありません。単原子イオンと同じく、まとまり1個に対する電荷として読みます。

基本例題：失った電子を数える

問題 原子番号13のアルミニウム原子1個が電子を3個失ってイオンになりました。生成したイオンの式、陽子数、電子数を求めなさい。粒子数は整数で、式の電荷は右上に示しなさい。

まず、原子番号は原子核中の陽子数です。アルミニウムの元素記号はAlなので、変化前の粒子を次のように整理します。

陽子数 = 13個

中性の原子の電子数 = 13個

ここで原子核の陽子は移動しません。電子が3個出るので、変化後は引き算です。

変化後の陽子数 = 13個

変化後の電子数 = 13 − 3 = 10個

電荷の符号付きの数 = 13 − 10 = 3

正の電荷が3個分多いため、答えはAl³⁺、陽子13個、電子10個です。電子を失った個数をそのまま電子数の答えにせず、最初の13個から引くことが要点です。図2のように、変化前、出た電子、変化後を別の場所に書けば、3個と10個の役割を取り違えにくくなります。

図2の矢印は、原子から電子が外へ出る向きです。記号で変化を表すなら、次のようになります。右辺の3e⁻は外へ出た電子3個を示します。

Al → Al³⁺ + 3e⁻

左辺の原子は1個、右辺のアルミニウムを含むイオンも1個です。左辺の電荷は0、右辺は正の3と負の3を合わせて0です。電子も、右辺のイオン内10個と外に出た3個を合わせると、元の13個に戻ります。陽子13個も変わらず、原子の数と電荷の両方がつり合っています。

もし最初に電子数を10個として計算すると、問題の中性原子に戻せません。Al³⁺の電子10個に失った3個を戻して13個になるかを、答えた後に点検します。式の右上の3と、イオン中に残る電子10個は別の量です。書く欄に単位として「個」を添えると、数えた対象も見直せます。

もう一段：電荷から電子の移動を逆にたどる

問題 原子番号16の硫黄原子1個が、2価の陰イオンになりました。生成したイオンの式、陽子数、電子数と、電子を何個受け渡ししたかを答えなさい。個数は整数で示し、受け取るか失うかも書きなさい。

まず硫黄の元素記号はS、原子番号は16です。もとの中性原子の陽子と電子はそれぞれ16個あります。陰イオンという条件から、電子は減ったのではなく増えたと判断します。2価の陰イオンは、負の電荷が正の電荷より2個分多い状態です。

陽子数 = 16個

電子数 = 16 + 2 = 18個

電荷の符号付きの数 = 16 − 18 = -2

したがって、式はS²⁻、陽子は16個、電子は18個です。電子の移動は2個を受け取る向きです。変化を表す式はS + 2e⁻ → S²⁻です。左側の電荷は0と-2を合わせて-2、右側も-2なので、電荷が一致します。

逆向きの点検では、生成したイオンの電子18個から受け取った2個を取り除きます。16個に戻り、陽子16個と同数の中性原子になります。ここで電子を失ったと判断して14個とすると、陽子との差は正の2となり、条件の陰イオンと矛盾します。符号を答えに写す前に、増減後の差で意味を確かめるのが分かれ目です。

多原子イオンでも、陽子の総数と電子の総数が与えられれば差から全体の電荷を考えられます。ただし、構成原子を足し合わせる必要があり、下付き数字を電荷と取り違えない注意が必要です。原子のまとまりができる過程を、この引き算だけから特定することはできません。

誤答を手掛かりに修正する

図3のように、陽イオンで陽子が増えたと書いた場合は、原子核と電子のどちらが変わったかに戻ります。例えば電子を1個失う前後では、正の粒子が増えたのではなく負の粒子が1個減っています。原子番号を変えず、最初の電子数から1個引いて差を取り直します。

図3の左は誤った説明、右は修正後の説明です。どちらも電荷の符号は正ですが、粒子数の変化は異なります。正しい記号が書けた場合でも、その理由を陽子の増加としていれば、次の電子数の問題でつまずきます。

陰イオンでは、負の符号を見て電子数から引いてしまう誤りもあります。原因は「負」という符号を、そのまま電子数の計算に使うことです。負の電荷を持つ電子が増えたと文章に直し、陽子数より電子数が多いかを確かめます。電子の移動数と、残る電子の総数が違う点にも注意します。

多原子イオンの読みでは、NH₄⁺の4を電荷の大きさとしたり、酸素を含むイオンの下付き数字を全原子数としたりする誤りがあります。右下は隣の元素の原子数、右上はまとまり全体の電荷と場所で読み分けます。NH₄⁺なら窒素原子1個と水素原子4個、全体で1価の陽イオンです。記号に数字のない元素は1個と読みます。

電荷の差が合っていても、与えられた移動方向に合うかは別に確かめます。たとえば電子を失ったという条件なのに電子数が増えていれば、計算の符号を見直す必要があります。反対に、受け取ったという条件で電子数が変わらなければ、移動した個数が計算に入っていません。式を書く前に、増えるか減るかを言葉で決めておくと、数字を入れる場所を選びやすくなります。

多原子イオンの式を読むときは、元素記号ごとに区切り、下付きの数字を順番に拾います。その後で全体の右上を読みます。下付き数字のない元素を数え忘れると、総数がずれます。最後に内訳をもう一度式に戻し、各元素の数と電荷の位置が元どおりかを確かめます。

自分で試す4問

それぞれ独立した問題です。粒子数は整数で、イオンの式は電荷を右上に記してください。記述を求める箇所では、指定された語を使います。

1. 原子番号12のマグネシウム原子1個が電子2個を失いました。生成したイオンの式と、陽子数、電子数を求めなさい。
2. 原子番号9のフッ素原子1個が1価の陰イオンになりました。イオンの式と電子数を求め、電子を受け取ったか失ったかを個数とともに答えなさい。
3. 炭酸イオンCO₃²⁻について、炭素原子と酸素原子の個数、およびまとまり全体の電荷を答えなさい。原子の総数も整数で示しなさい。
4. 原子番号19のカリウム原子からできたイオンに電子が18個あります。イオンの式を答え、「陽子」「電子」を使って電荷が正か負かを説明しなさい。

答えと戻して確かめる手順

1. Mg²⁺、陽子12個、電子10個です。中性原子の電子は12個なので、12 − 2 = 10個です。陽子12個と電子10個の差は正の2です。電子10個に失った2個を戻すと、もとの12個に一致します。式はMg → Mg²⁺ + 2e⁻と書け、左右の電荷はともに0です。

2. F⁻、電子10個、電子1個を受け取ります。陽子9個の中性原子には電子が9個あり、9 + 1 = 10個です。9 − 10 = -1なので1価の陰イオンです。10個から受け取った1個を除けば9個に戻り、もとの原子の陽子数と一致します。F + e⁻ → F⁻の左右の電荷もともに-1です。

3. 炭素原子1個、酸素原子3個、原子の総数4個、全体の電荷は2価の負です。Cには下付き数字がないので1個、Oの下の3は酸素原子の数です。1 + 3 = 4個となります。内訳を式に戻すとCが1個、Oが3個でCO₃の並びに合い、右上の2⁻は全体に対応します。原子の総数4を電荷の大きさとすることはできません。

4. K⁺です。原子番号19から陽子は19個で、電子は18個です。陽子の正の電荷が電子の負の電荷より1個分多いため、電荷は正です。中性原子では電子が19個なので、19 − 18 = 1個を失ったとわかります。イオンの電子18個にその1個を戻すと19個となり、元の中性原子の条件に合います。K → K⁺ + e⁻の左右で電荷は0です。

答えを作ったら、陽子数、イオン中の電子数、外へ出た電子または外から入った電子を別々に数えてください。1つの数が複数の意味を持っていないかを確かめると、式が合って見える誤答も点検できます。多原子イオンでは電荷の確認と原子の内訳の確認を分けます。

手元に残す要点

• 陽イオンの生成では電子を失い、陰イオンの生成では電子を受け取ります。
• 原子核の陽子数を保ち、陽子数と電子数の差で電荷を確かめます。
• 右上の符号と数字はイオン全体の電荷、右下の数字は直前の元素の原子数です。
• 求めた電子数を移動前に戻し、元の中性原子の数と照合します。

どこで止まったかを見分ける

イオンの式は書けるのに電子数が合わないときは、失った個数と残った個数を区別できているかを見ます。最初の電子数を書き、出入りを矢印で表してから、残りを数える順にすると、つまずいた位置が見えます。逆に電子数は正しくても符号が逆なら、陽子と電子のどちらが多いかを声に出して説明してみます。

個別指導で確かめるなら、まず中性原子の陽子数と電子数を書き、次に電子がどちらへ何個移ったかを説明します。その後、答えのイオンから移動を逆向きにたどり、出発点に戻れるかを確認します。多原子イオンでは、下付き数字を指して原子の内訳を述べ、最後に右上の電荷をまとまり全体に対応させます。正負の記号は、粒子を数えた結果として意味を持ちます。