【化学基礎】物質の構成と原子を図解で総まとめ—純物質と混合物・原子の構造・同位体・電子配置｜武蔵野個別指導塾

食塩水の分離、同位体の粒子数、電子配置から周期表を読む例題を収録。3枚の図で物質の分類と原子の構造を結びつけ、似た用語を理由つきで使い分けられるように学びます。

よくあるのは、定期テスト前の自習室の白板の前で、「水は水素と酸素からできているから混合物」と書いたあと、教科書の「水は純物質」という説明とつながらなくなる場面です。さらに「酸素は元素か単体か」と聞かれると、同じ言葉なのに答えが変わるように見えます。ここで困るのは、覚えた言葉が少ないからだけではありません。「何種類の物質が混じっているか」と「何種類の元素からできているか」という別の問いが重なっているのです。

この単元では、目に見える物質の分類から出発し、目に見えない原子の中身まで順にたどります。食塩水から成分を分ける方法も、原子番号から電子の数を求める計算も、最初に何を区別するかを決めれば整理できます。最後には、原子の電子配置と周期表の位置を結びつけ、単なる番号の暗記から一歩進んで説明できるようにしていきましょう。

この単元で身につけること

• 純物質と混合物を区別します。含まれる物質の種類に注目し、見た目が均一でも混合物である場合を説明します。
• 単体と化合物、元素と原子を使い分けます。物質の分類を尋ねているのか、原子の種類や粒子そのものを尋ねているのかを読み取ります。
• 混合物の分離方法を選びます。粒の大きさ、沸点、溶解度など、成分の性質の違いと方法の名前を組にして考えます。
• 原子番号と質量数から粒子数を求めます。陽子・中性子・電子のどれを数えているかを明らかにし、同位体の共通点と相違点を説明します。
• 電子配置から周期表を読みます。電子殻、最外殻電子、周期、族をつなぎ、似た性質の元素が同じ縦の列に並ぶ理由を考えます。

中学校で学んだ原子・分子や化学式は、ここで物質の分類を考える土台になります。H₂Oのような化学式を見るときも、記号の種類と添え字を別々に読みましょう。記号の種類は含まれる元素を、分子を表す式の添え字はその分子に含まれる原子の数を示します。

基本の考え方

物質の分類と、元素という見方

純物質とは、1種類の物質だけからなるものです。混合物とは、2種類以上の物質が混じり合ったものです。純粋な水、酸素、塩化ナトリウムは純物質で、空気、食塩水、海水は混合物です。空気は透明でも、窒素や酸素などが混じっています。したがって、色が1色であることや、全体が同じように見えることは、純物質である証拠にはなりません。

純物質は、さらに単体と化合物に分かれます。単体は1種類の元素からなる純物質、化合物は2種類以上の元素からなる純物質です。酸素O₂は酸素元素だけからなるので単体、水H₂Oは水素元素と酸素元素からなるので化合物です。O₂に酸素原子が2個あることと、元素が2種類あることは違います。「何個」と「何種類」を分けて読めることが第一歩です。

図1のように、まず物質の種類で純物質と混合物を分け、純物質について元素の種類を調べます。水と食塩水はどちらも透明ですが、分類の道筋は異なります。水をつくる水素と酸素は化学的に結びついており、水をろ過して水素と酸素に分けることはできません。

元素とは、原子の種類を表す概念です。一方、原子は物質を構成する粒子です。「水には酸素が含まれる」という文の酸素は、構成要素としての元素を意味します。「酸素を容器に集めた」という文の酸素は、実際に集めた物質である単体を意味します。同じ名称を使うので、前後の文からどちらの意味かを決めます。水の中に酸素の気体O₂がそのまま入っている、という意味ではありません。

同じ元素からなる単体でも、性質が異なるものがあります。これらを互いに同素体といい、炭素のダイヤモンドと黒鉛、酸素のO₂とオゾンO₃などが例です。同素体で比べているのは単体の性質や構造です。あとで学ぶ同位体は原子の中性子数を比べる言葉なので、対象が違います。

混合物を分けるときは性質の違いを探す

混合物から成分を分ける操作を分離といいます。また、目的の物質から不純物を取り除き、純度を高める操作を精製といいます。方法の名前だけを覚えると、どれも「取り出す操作」に見えてしまいます。どの性質の差を利用するか、そして何を取り出したいかを言葉にすると選びやすくなります。

ろ過は、液体に溶けていない固体を、ろ紙などを使って分ける操作です。砂と水なら砂をろ紙に残せますが、食塩水に溶けている塩化ナトリウムは通常のろ紙を通ります。ろ紙を通って得られた液体をろ液といいます。ろ液が透明であっても、溶けている物質がなくなったとは判断できません。

蒸留は、液体を加熱して生じた蒸気を冷やし、再び液体として集める操作です。沸点の違いを利用します。食塩水から水を集めるなら、水を蒸発させて冷却し、液体として受け取ります。塩化ナトリウムは通常のこの操作では蒸発しにくいため、加熱する側に残ります。一方、食塩を取り出したいなら、水を蒸発させて固体を残す方法を考えます。目的が水か食塩かで必要な操作が変わるのです。

液体どうしの混合物では、沸点が低い成分だけが完全に蒸発するとは限りません。1回の蒸留で必ず完全な純物質になる、と覚えないようにしましょう。沸点の異なる液体成分を蒸留によって分ける操作は分留と呼ばれます。ここでは「蒸発させること」に加えて「蒸気を冷やして集めること」が必要だと押さえます。

再結晶は、温度による溶解度の違いなどを利用して結晶を取り出し、精製する方法です。溶解度とは、一定の温度で一定量の溶媒に溶ける物質の限度を表す量です。高温ではよく溶け、冷やすと溶けにくくなる物質では、熱い溶液を冷やすと余分な分が結晶として現れます。食塩は温度による溶解度の変化が比較的小さいので、冷却だけで大量に取り出す例としては適しません。

ほかに、固体が液体を経ずに気体になる性質を利用する昇華法、ある溶媒への溶けやすさの違いを利用する抽出があります。クロマトグラフィーは、成分が固定された部分にとどまりやすい程度や、移動する溶媒などに伴って進みやすい程度の違いを利用して分ける方法です。紙の上でインクの色が異なる位置に分かれる様子は、その一例です。

これらは装置や物質に合わせて行う実験操作です。加熱や薬品を使う操作は、学校などで先生の指示のもと、保護眼鏡など必要な保護具を使用して行います。蒸留で装置を密閉しないことや、加熱後の器具にすぐ触れないことも大切です。家庭での確認は、図や言葉を使う学習にとどめましょう。

原子の中身から電子配置へ

原子は、中心の原子核と、そのまわりに存在する電子からなります。原子核は正の電荷をもつ陽子と、電荷をもたない中性子からなり、電子は負の電荷をもちます。ただし、最も普通の水素原子の原子核には中性子がありません。陽子1個と電子1個の電荷の大きさは等しく、符号が反対です。そのため、電気的に中性な原子では、陽子数と電子数が等しくなります。

原子番号は陽子の数であり、元素の種類を決めます。質量数は陽子数と中性子数の和です。したがって、「中性子数＝質量数−原子番号」と求められます。陽子数・中性子数・電子数は個数なので、この計算は正確な整数の計算です。測定値を扱う計算とは違い、有効数字に合わせて丸める必要はありません。質量数にもgのような質量の単位は付けません。

同じ元素の原子で、中性子数が異なるものを互いに同位体といいます。炭素12と炭素14は、どちらも原子番号6で、陽子数は6個です。中性子数はそれぞれ6個と8個で、質量数が異なります。同位体の多くの化学的性質はほぼ同じですが、質量や原子核の性質まで同じとは限りません。

電子は原子核のまわりの電子殻に分かれて存在します。内側からK殻、L殻、M殻と呼び、各電子殻への電子の入り方を電子配置といいます。K殻には最大2個、L殻には最大8個入ります。M殻には最大18個入りますが、原子番号20までの原子を扱うときは、M殻が8個になったあと、KではN殻に1個、CaではN殻に2個入る配置を用います。「M殻の最大は8個」と覚えるのは誤りです。ここでKは元素記号としてはカリウムを表し、K殻のKとは文脈を区別します。

最も外側の電子殻にある電子を最外殻電子といいます。化学結合に関わる電子を価電子といい、典型元素では、貴ガスを除いて最外殻電子を価電子として数えます。貴ガスは反応しにくく、化学基礎では価電子数を0とします。Heは最外殻電子が2個、NeやArは8個でも、価電子数は0です。

周期表は元素を原子番号の順に並べ、性質の似た元素が縦にそろうようにした表です。横の行を周期、縦の列を族といいます。原子番号20までの原子では、電子が入っている電子殻の数と周期の番号を結びつけられます。典型元素の同じ族では最外殻電子の数が共通する場合が多く、それが化学的性質の似る理由になります。ただし18族のHeは最外殻電子が2個という例外なので、貴ガスの仲間として別に確かめます。

例題で解き方を確かめる

例題1　物質の分類と「酸素」の意味

純粋な水H₂O、酸素O₂、食塩水を、単体・化合物・混合物に分類します。さらに「水を構成する酸素」と「容器に集めた酸素」の酸素が、元素と単体のどちらを意味するか答えましょう。

1. 最初に、1種類の物質か、複数の物質が混じっているかを調べます。最初から元素の種類を数えると、水を混合物にしてしまうためです。純粋な水と酸素は純物質、食塩水は水と塩化ナトリウムを含む混合物です。
2. 純物質だけについて、元素の種類を数えます。水にはHとOの2種類があるので化合物、O₂にはOだけなので単体です。Oの右下の2は、酸素原子が2個結びついた分子であることを表します。
3. 文中の酸素が、構成要素を表すのか、取り扱う物質を表すのかを読みます。「水を構成する」は元素、「容器に集めた」は単体です。単語だけを切り出さず、動作や説明の対象まで読むのが理由です。

答え：水は化合物、酸素O₂は単体、食塩水は混合物で、文中の酸素は順に元素、単体です。

例題2　砂と食塩が混じった水から成分を分ける

砂と塩化ナトリウムが入った水があり、塩化ナトリウムはすべて溶けているとします。砂を分けたあと、水を液体として集めるには、どの操作をどの順に選びますか。砂は水に溶けず、反応もしないものとします。

1. 溶けていない成分を確かめます。砂は固体として残り、塩化ナトリウムは溶液中にあるため、まずろ過を選びます。ろ紙に残る砂と、通り抜ける食塩水を分けられるからです。
2. ろ液に何があるかを書きます。ろ液は水だけではなく、塩化ナトリウムを含む食塩水です。次の操作を決めるには、「透明になった」ではなく成分を確認する必要があります。
3. 集めたいものが液体の水なので、ろ液を蒸留します。水蒸気を冷やして液体に戻し、別の容器に集めるところまでが必要です。水を蒸発させて逃がすだけでは、水を集めたことにはなりません。

答え：ろ過で砂を分け、得られたろ液を蒸留して水を集めます。

この問題は、操作名を2個覚えていれば終わりではありません。「ろ過後に残る成分」と「最後に欲しい成分」を説明できると、食塩を取り出す問題に変わっても対応できます。分離の問題では、操作の前後の成分を矢印で書くと取り違えを見つけやすくなります。

例題3　2種類の塩素原子の粒子数

原子番号17の塩素について、質量数35と37の電気的に中性な原子があります。それぞれの陽子数、中性子数、電子数を求め、互いに何と呼ばれるか答えましょう。

1. 原子番号17から、どちらの陽子数も17個と決めます。元素を決めるのは陽子数なので、質量数が違ってもここは変わりません。
2. 質量数から陽子数を引きます。質量数35では35−17＝18個、質量数37では37−17＝20個が中性子数です。質量数は原子核内の陽子と中性子の合計だからです。
3. 中性である条件から、電子数を陽子数と等しい17個にします。質量数に電子を足したり、質量数から電子数を直接決めたりはしません。
4. 陽子数が同じで中性子数が異なるので、互いに同位体と判断します。違いが原子核の中にあることを確認して、同素体と区別します。

答え：質量数35は陽子17個・中性子18個・電子17個、質量数37は陽子17個・中性子20個・電子17個で、互いに同位体です。

図2のように、同位体では原子核の中性子数だけを変えて比べます。図の円は原子核の範囲を示す模式的な枠で、実際の原子核の大きさや、原子全体に対する縮尺を表していません。電子は枠の外にあることを、個数のラベルで示しています。

確かめ算では、17＋18＝35、17＋20＝37を計算します。さらに、陽子の正の電荷と電子の負の電荷が17個分ずつ打ち消し合うことを確認します。原子番号と質量数は別々の役割をもつので、両方を使って答えを戻して確かめられます。

例題4　電子配置から周期と族を読む

原子番号11のナトリウムNaと、原子番号17の塩素Clについて、中性原子の電子配置、最外殻電子の数、周期表の周期と族を答えましょう。

1. 中性原子なので、電子数をそれぞれ11個、17個とします。電子を殻に入れる前に総数を決めておくと、書き終わった配置を足して検算できます。
2. K殻に2個、L殻に8個を入れ、残りをM殻に入れます。Naは11−2−8＝1個、Clは17−2−8＝7個がM殻に入ります。したがって配置はK・L・Mの順に2・8・1と2・8・7です。
3. どちらも電子の入った殻が3つあるので、第3周期です。周期は最外殻電子の個数ではなく、電子が入っている殻の数に対応させます。
4. 典型元素の族との対応を使います。最外殻電子が1個のNaは1族、7個のClは17族です。13〜18族では、Heを除き、族番号の1の位が最外殻電子の数に対応します。7個だから7族、とそのまま置き換えないことが大切です。

答え：Naは2・8・1、最外殻電子1個、第3周期1族で、Clは2・8・7、最外殻電子7個、第3周期17族です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　化学式に記号が2種類あれば混合物とする

誤った書き方は「H₂OにはHとOがあるので混合物」です。違うのは、物質の種類と元素の種類を同じ基準として数えているところです。水の中で水素と酸素は結びついて、一定の組成をもつ水という物質をつくっています。食塩水のように、混ぜる割合を変えてつくる混合物とは区別します。

正しい書き方は「純粋なH₂Oは1種類の物質なので純物質であり、2種類の元素からなるので化合物」です。分類を2段階に分けた文章に直しましょう。純物質の「純」は、1種類の元素という意味ではありません。また、水が氷と液体の両方の状態で存在していても、どちらもH₂Oだけなら物質の種類は増えません。

誤り2　質量数を電子まで含めた粒子の合計にする

誤った書き方は「質量数35の塩素原子は、陽子17個と電子17個があるので中性子1個」です。違うのは、質量数の定義に電子を入れているところです。質量数は原子核にある陽子と中性子の合計であり、電子数を含みません。電子にも質量はありますが、それは質量数に電子の個数を加える理由にはなりません。

正しい書き方は「中性子数＝35−17＝18個、電子数＝17個」です。紙の上で「原子核」と「電子」を別の欄に分けると直しやすくなります。また、周期表にある小数付きの原子量を、ある1個の原子の質量数と読み替えることもできません。原子量は同位体の存在割合などを反映した値であり、粒子数の問題では与えられた整数の質量数を使います。

誤り3　周期と族を反対に読む

誤った書き方は「Naは最外殻電子が1個なので第1周期で、殻が3つなので3族」です。違うのは、殻の数と外側の電子数を入れ替えているところです。周期表では横の行が周期、縦の列が族です。図3のように、Naの電子は3つの殻に分かれ、外側のM殻にあるのは1個です。

正しい書き方は「Naは電子の入った殻が3つなので第3周期、最外殻電子が1個の典型元素なので1族」です。図3の同心円は電子殻を区別する模式図で、電子が描いた円周を一定の軌道として回ることや、殻の半径の実際の比を示してはいません。点をK殻から2個、8個、1個と数え、合計11個に戻るか確認しましょう。

族と性質を結びつけるときには、水素にも注意します。水素は1族にありますが、アルカリ金属には含めません。1族のうち水素を除く元素がアルカリ金属、17族がハロゲン、18族が貴ガスです。「同じ列は何もかも同じ」とせず、共通する電子の特徴と例外をセットで読むと、周期表を使いやすくなります。

練習問題

練習1

窒素と酸素などが混じった空気、純粋な二酸化炭素CO₂、銅Cuを、混合物・化合物・単体に分類しましょう。また、「二酸化炭素を構成する炭素」という文の炭素は、元素と単体のどちらの意味でしょうか。各分類について、何の種類を数えたかも添えてください。

練習2

水に溶けない砂と、すべて水に溶けた食塩を含む混合物から、砂を除いて食塩を固体として取り出したいとします。まず行う操作と、そのあと食塩を得るために利用する変化を答えましょう。家庭で実際に操作する問題ではなく、紙の上で方法を考える問題です。

練習3

原子番号12、質量数24の中性なMg原子について、陽子数、中性子数、電子数を求めましょう。さらに、同じ元素で質量数26の中性原子では、どの粒子の数が何個変わるか答えてください。最後に、2つの原子の関係を表す用語を書きましょう。

練習4

原子番号18のArについて、K殻・L殻・M殻の電子数、最外殻電子数、価電子数、周期、族を答えましょう。最外殻電子数と価電子数を別々の欄に書き、その違いを説明してください。

答えと解説

練習1の答え：空気は混合物、CO₂は化合物、Cuは単体です。文中の炭素は元素を意味します。空気では複数の物質が混じり、CO₂では1種類の物質が2種類の元素からなり、Cuでは1種類の物質が1種類の元素からなります。CO₂の酸素原子が2個あることは、元素の種類が増える理由にはなりません。

練習2の答え：まずろ過をし、ろ液の水を蒸発させて食塩を取り出します。ろ過で砂は分けられますが、溶けている食塩はろ液に残ります。例題2と違って水を回収する必要はないので、水蒸気を冷やして集める操作を答えの中心にする必要はありません。

練習3の答え：質量数24では陽子12個、中性子12個、電子12個です。質量数26では陽子12個、中性子14個、電子12個で、中性子だけが2個多く、互いに同位体です。24−12＝12、26−12＝14と求めます。陽子数が変わるなら別の元素になり、今回の条件とは合いません。

練習4の答え：電子配置は2・8・8、最外殻電子数は8個、価電子数は0、第3周期18族です。2＋8＋8＝18となり、原子番号と電子数が一致します。Arは貴ガスなので、外側に電子が8個あっても、化学基礎で扱う価電子数は0とします。電子が存在しないという意味ではありません。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

次の化学結合では、原子が電子を受け渡したり共有したりして、どのように結びつくかを学びます。原子が電子を失うと陽イオン、電子を受け取ると陰イオンになりますが、これらの変化で原子核の陽子数が変わるわけではありません。ここで覚えた「中性原子では電子数＝陽子数」という条件を、イオンにそのまま当てはめないことが次の注意点です。

家庭で5分の確認をするなら、1つ目は紙に「純物質・混合物・単体・化合物」と書き、水、空気、酸素を置く場所と理由を声に出す方法です。「水は元素が2種類だから」という説明で止まったら、その前に物質の種類を答え直します。2つ目はNaとArについて、原子番号から電子配置を描き、点の総数、殻の数、最外殻電子数を順に確かめる方法です。計算結果と周期表の位置を往復して確認できます。

個別指導で電子配置が崩れている場合は、配置の暗記に戻る前に、中性の意味と陽子数・電子数の対応まで戻って確かめます。分類の間違いなら、化学式の記号を読むところと「物質」と「元素」を分けるところの、どちらで混ざったかを確認します。

まとめ

白板に書いた「水は混合物」という答えを直すとき、単に「化合物」に置き換えるだけでは、別の物質で同じ迷いが残ります。何を1種類と数えているかを添えると、自分の答えを自分で説明できます。原子の問題でも、陽子は元素を決め、中性子は同位体の違いに関わり、電子配置は化学的性質につながります。数を求めたあとに、その数が何を決めるかまで読んでみましょう。

化学の最初の一歩は、数える対象に名前を付けることです。