高校化学基礎 周期表—族と周期の位置から元素の性質を読み分ける｜武蔵野個別指導塾

族と周期の向きを見分け、与えられた位置情報から同族元素や典型元素を選ぶ判断を身につけましょう。

よくあるのは、周期表の横の並びを族と読み、同じ横一列なら性質もそろうと考えて手が止まる場面です。表には横にも縦にも規則があるため、どちらを見るかを取り違えると、知っている元素の名前を書けても理由がずれます。まず、位置を表す言葉と、そこから推測できる性質を別々に整理しましょう。

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並ぶように配置した表です。ここでは族と周期、典型元素、金属元素と非金属元素の区別を扱います。個々の元素の反応を列挙することより、表から問題の条件を読み取ることに力点を置きます。

表のどこをたどる問題か

定期テストでは、まず元素の位置を尋ねる型があります。表の一部に印が付いていて、同じ族や同じ周期の元素を選ぶ問題です。縦か横かを先に指でたどり、問われた範囲にある記号を拾います。元素の名前を覚えているかどうかだけで答えを決める問題ではありません。

次に、位置と性質を結びつける型があります。同じ族の元素は最外殻電子の数が共通する傾向があり、化学的性質も似る傾向があります。ただし、似ていることは性質が完全に同一であることを意味しません。特に1族の水素は他の1族元素と同じ金属ではなく、位置だけから例外なく同じ物質の性質を持つと決めないことが必要です。

もう1つは、典型元素かどうか、金属元素か非金属元素かを分類する型です。この2つは別の観点です。典型元素という分類に入る金属元素も非金属元素もあります。ある元素に「典型元素」と札を付けても、その札から金属か非金属かは自動的には決まりません。問題が何の分類を求めているかを先に確かめます。

縦の族と横の周期を読む

縦の列を族、横の行を周期と呼びます。族には左から1族、2族、中央の3〜12族、右側の13〜18族という番号が付いています。周期も上から順に番号を数えます。表に番号が書かれていない場合でも、どの方向の番号かを区別できれば、同じ行と同じ列を取り違えにくくなります。

図1のように、横の矢印は同じ周期を、縦の矢印は同じ族をたどります。模式的に示したマスは表の位置関係を表しており、実際の周期表の全体を描いたものではありません。2つの方向の名前を、矢印と一緒に確認してください。

図1で同じ色の縦のマスは同族の位置、横のマスは同周期の位置を示します。交差するマスは、縦と横の両方の位置を持ちます。ある元素は「何族か」と「何周期か」を同時に答えられますが、この2つの数字は別の方向を表します。

周期番号は、その原子の基底状態の電子が入っている電子殻の数に対応します。例えば3周期の原子では、電子が入っている殻は3つです。同じ周期にあれば殻の数は共通しますが、左から右へ移ると原子番号が増え、最外殻電子の数も変わります。したがって、同じ周期という情報だけで化学的性質が似るとは判断できません。

一方、同族の典型元素では、最外殻電子の数が共通することが性質の類似につながります。ただし18族のヘリウムは最外殻電子が2個で、他の18族元素の8個とは異なります。希ガスは反応しにくいという共通の特徴を持ちますが、電子の数を説明するときにはヘリウムを区別します。最外殻電子と価電子は同じ意味ではなく、希ガスの価電子は0個として扱います。

典型元素は1、2族と13〜18族の元素です。3〜12族には遷移元素が配置されています。金属元素は周期表の左側から中央部に多く、非金属元素は右上側に多く配置されますが、水素は左上にある非金属元素です。境界に近い元素には中間的な性質を示すものもあるため、位置は判断の手掛かりとして使い、問題で与えられた分類や学習した元素の性質を確認します。

「元素」と「単体」も区別します。元素は物質を構成する原子の種類を表す言葉です。金属元素と呼ぶときは元素を分類し、金属という単体の性質を述べるときは物質について話しています。たとえば同じ元素からできた単体の性質を手掛かりに分類していても、元素の位置と物質の性質を混同しないようにします。

基本例題: 座標から同じ族を選ぶ

問題: 次の4元素について、周期表上の位置を与えます。Aは1族2周期、Bは1族3周期、Cは2族3周期、Dは17族3周期です。この中からAと同じ族の元素を1つ選び、Aとその元素の位置関係を「縦」という語を使って答えてください。また、Aと同じ周期の元素がこの中にあれば記号で答え、なければ「ない」と答えてください。

解くときは、まず族の番号をそろえます。Aの族は1、Bの族も1です。Cは2、Dは17なので、Aと同じ族の候補はBです。次に周期の番号を比べると、Aは2周期ですが、残りは3周期です。この条件の中にはAと同じ周期の別の元素はありません。

図2のように、族番号を横方向の位置、周期番号を縦方向の位置として表に置くと、AとBが縦に並びます。省略した族がある模式図なので、マス同士の間隔から族番号の差を測らないでください。位置を示す番号が判断の根拠です。

答えは、同じ族がB、位置関係は「AとBは縦に並ぶ」、同じ周期の別の元素は「ない」です。条件に戻して確認すると、AとBの族番号はともに1です。またAの周期番号2に対し、B、C、Dはいずれも3なので、同じ周期の候補を見落としていません。

この問題ではB、C、Dが横に並ぶことも読み取れます。しかし、そのこととAが含まれるかどうかは別です。「3周期に属する元素を答える」ならB、C、Dですが、「Aと同じ周期の別の元素」を尋ねられたら、Aの周期番号を基準にします。問題文の基準となる記号に印を付けると、途中で基準が入れ替わりにくくなります。

また、同じ族を選ぶ理由として「周期の番号が同じ」と書くのは誤りです。Bが答えであることと、その理由の文が正しいことを別々に点検します。数の計算がない問題でも、条件を1つずつ照合する途中の手順が答えの根拠になります。

条件が重なったときの分かれ目

問題: 元素P、Q、R、Sについて、次の情報を与えます。Pは2族2周期の金属元素、Qは2族4周期の金属元素、Rは16族2周期の非金属元素、Sは18族2周期の非金属元素です。Pと同族の元素、Pと同周期の別の元素、非金属元素をそれぞれ記号で答えてください。該当する記号は各欄にすべて書き、典型元素に当たる記号も答えてください。

最初に位置を2種類の番号に分けます。Pと族番号が同じなのはQです。周期番号がPと同じなのはRとSです。Qは2族という番号がPと同じでも、周期は4なので同周期の欄には入りません。逆にRとSは2周期でも、族番号が異なるので同族の欄には入りません。

次に金属と非金属の条件をそのまま読みます。PとQは金属元素、RとSは非金属元素です。典型元素かどうかは、金属か非金属かではなく族番号から調べます。2族、16族、18族はいずれも典型元素の範囲に入るため、P、Q、R、Sの4つが該当します。

答えを元の条件に戻すと、同族はQ、同周期の別の元素はRとS、非金属元素はRとS、典型元素はP、Q、R、Sです。P自身はPと同じ周期ですが、問題は「別の元素」を求めているので書きません。同じ語が問題文にあるかどうかで、基準の元素自身を答えに含めるかが変わります。

条件を読み落とすと、2族のQを同周期に入れたり、非金属元素を典型元素から外したりします。位置の分類と性質の分類を別の欄にすることで、1つの元素が複数の条件を同時に満たせることも見えます。RはPと同周期であり、非金属元素であり、典型元素でもあります。どれか1つの札を選ぶ問題ではありません。

誤答を見つけて理由ごと直す

図3のように、横に並ぶ元素を見て「同じ族」と答えた場合、原因は表の向きの取り違えです。修正するときは、横に引いた線を消す前に、その線が示す言葉を「周期」と書き直します。その後、同じ族を探すには縦にたどり直します。答えだけを直すより、どの方向を見たのかが残ります。

別の誤りは「同じ族ならどの元素も同じ性質」と言い切ることです。同族には似た性質が見られますが、完全に同じという意味ではありません。1族の水素と他の1族の元素のように分類上の違いにも注意し、「似る傾向がある」と表現を直します。個別の物質の性質は、必要に応じて与えられた情報で確かめます。

さらに「典型元素は非金属元素である」と考える誤答もあります。原因は族による区分と金属・非金属の区分を1本の線に重ねたことです。1族のナトリウムは典型元素であり金属元素でもあります。この反例を戻してみると、典型元素という分類が非金属に限定されないことを確認できます。

18族について「最外殻電子は必ず8個」とする答えも点検が必要です。ヘリウムの最外殻電子は2個なので、一般的な並びの説明に例外があることを明示します。価電子を尋ねられた場合は、最外殻電子の個数をそのまま書かず、希ガスの価電子を0個として扱う約束を確認します。

練習: 位置と分類を別々に読む

次の問題では、各元素の位置や性質は問題文で与えられたものを使います。まず4問を続けて解き、答え合わせのときに、選ばなかった候補も条件に戻して確かめてください。

1. Eは13族3周期、Fは14族3周期、Gは13族4周期です。Eと同族の別の元素を1つ、Eと同周期の別の元素を1つ、それぞれ記号で答えてください。
2. Hは17族2周期、Jは17族3周期です。2元素の位置関係と、化学的性質について一般にいえることを、「縦」「似る傾向」の2語を使って1文で答えてください。
3. Kは3族、Lは12族、Mは15族、Nは18族にあります。このうち典型元素に当たる記号をすべて答えてください。
4. 水素、マグネシウム、塩素について、水素は1族の非金属元素、マグネシウムは2族の金属元素、塩素は17族の非金属元素です。金属元素をすべて答え、「1族の元素は例外なく金属元素である」という文が正しいかを、与条件に基づいて答えてください。

答えとたどり方

1. 同族はG、同周期はFです。EとGの族番号はともに13で、EとFの周期番号はともに3です。元の条件へ戻すと、Fの族番号は14なので同族ではなく、Gの周期番号は4なので同周期でもありません。2種類の番号を混ぜずに比べます。

2. 「HとJは縦に並び、化学的性質は似る傾向があります」です。両方の族番号が17であることを条件に戻して確かめます。周期は2と3で異なるため、横に並ぶという説明にはなりません。似るという表現を使い、性質がすべて同一だとは述べません。

3. M、Nです。典型元素に含まれるのは1、2族と13〜18族なので、15族と18族が入ります。Kの3族とLの12族はその範囲に入りません。各選択肢の族番号を条件に戻して確認すると、端の12族と13族を取り違えた場合も見つけられます。

4. 金属元素はマグネシウムです。文は正しくありません。水素は与条件で1族かつ非金属元素なので、「例外なく金属」という文に反する例になります。塩素も非金属ですが、17族なので、その文に対する反例として使うには族の条件が合いません。

手元に残す要点

• 族は縦、周期は横にたどります。
• 同族の元素は化学的性質が似る傾向があります。
• 典型元素は1、2族と13〜18族です。
• 金属・非金属と典型・遷移は別の分類です。
• 水素やヘリウムの扱いは一般的な傾向と分けて確認します。

説明が止まる場所を見つける

同族の元素を選べても、縦に並ぶ理由を示せなければ、族番号と周期番号を逆に覚えている可能性があります。表に縦線と横線を引き、それぞれに名前を付けてから、問題の番号を線に対応させてみてください。線と答えが一致しなければ、元素名の暗記を増やす前に向きを修正できます。

個別指導では、たとえば1つの元素を基準にして、同じ族の候補と同じ周期の候補を別々に指して説明できるかを確かめます。さらに、その候補が典型元素か、金属元素かを別の質問にして、判断の根拠を言葉にします。正答できなかった場合は、方向、族番号、分類のどこで条件を落としたかを一緒にたどります。

周期表の1つのマスには、縦と横という2つの位置情報があります。求められた情報を選び、性質の傾向と例外を区別して読めば、表は暗記の一覧から判断の道具に変わります。