第2章原子・分子・イオン

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

An atom consists of a small, positively charged nucleus surrounded by electrons. The nucleus contains protons and neutrons; its diameter is about 100,000 times smaller than that of the atom. The mass of one atom is usually expressed in atomic mass units (amu), which is referred to as the atomic mass. An amu is defined as exactly

\frac{1}{12}

of the mass of a carbon-12 atom and is equal to 1.6605

\times

10⁻²⁴ g.

原子は、電子に取り囲まれた小さな正の原子核からなる。原子核には陽子と中性子が含まれ、その直径は原子の約100,000分の1である。原子1個の質量は通常、原子質量単位（amu）で表され、原子質量と呼ばれる。1 amuは炭素12原子の質量の正確に

\frac{1}{12}

と定義され、1.6605

\times

10⁻²⁴ gに等しい。

Protons are relatively heavy particles with a charge of 1+ and a mass of 1.0073 amu. Neutrons are relatively heavy particles with no charge and a mass of 1.0087 amu. Electrons are light particles with a charge of 1− and a mass of 0.00055 amu. The number of protons in the nucleus is called the atomic number (Z) and is the property that defines an atom’s elemental identity. The sum of the numbers of protons and neutrons in the nucleus is called the mass number and, expressed in amu, is approximately equal to the mass of the atom. An atom is neutral when it contains equal numbers of electrons and protons.

陽子は電荷1＋、質量1.0073 amuの比較的重い粒子である。中性子は電荷をもたず、質量1.0087 amuの比較的重い粒子である。電子は電荷1−、質量0.00055 amuの軽い粒子である。原子核内の陽子の数を原子番号（Z）といい、どの元素の原子であるかを決める性質である。原子核内の陽子数と中性子数の和を質量数といい、amuで表した原子の質量にほぼ等しい。電子と陽子が同数含まれるとき、原子は中性である。

Isotopes of an element are atoms with the same atomic number but different mass numbers; isotopes of an element, therefore, differ from each other only in the number of neutrons within the nucleus. When a naturally occurring element is composed of several isotopes, the atomic mass of the element represents the average of the masses of the isotopes involved. A chemical symbol identifies the atoms in a substance using symbols, which are one-, two-, or three-letter abbreviations for the atoms.

ある元素の同位体は、原子番号が同じで質量数が異なる原子である。したがって、同じ元素の同位体同士は、核内の中性子の数だけが異なる。天然の元素が複数の同位体からなるとき、その元素の原子質量は、各同位体の質量の平均を表す。元素記号は、1文字、2文字、または3文字の略号によって、物質中の原子を識別する。

Key Equations重要な式

average mass = \sum_{i} {(fractional abundance \times isotopic mass)}_{i}

平均質量 = \sum_{i} {(存在割合 \times 同位体の質量)}_{i}

Chemistry End of Chapter Exercises化学の章末問題

Exercises 10–26練習問題 10–26

Exercise 10問題 10

In what way are isotopes of a given element always different? In what way(s) are they always the same?

ある元素の同位体同士では、どの点が必ず異なるか。どの点が必ず同じか。

Exercise 11問題 11

Write the symbol for each of the following ions:

次の各イオンの記号を書きなさい。

(a) the ion with a 1+ charge, atomic number 55, and mass number 133

(a) 電荷1＋、原子番号55、質量数133のイオン

(b) the ion with 54 electrons, 53 protons, and 74 neutrons

(b) 電子54個、陽子53個、中性子74個をもつイオン

(d) the ion with 24 electrons, 30 neutrons, and a 3+ charge

(d) 電子24個、中性子30個、電荷3＋のイオン

Solution解き方

(a) ¹³³Cs⁺; (b) ¹²⁷I⁻; (c) ³¹P³⁻; (d) ⁵⁷Co³⁺

Exercise 12問題 12

Write the symbol for each of the following ions:

次の各イオンの記号を書きなさい。

(a) the ion with a 3+ charge, 28 electrons, and a mass number of 71

(a) 電荷3＋、電子28個、質量数71のイオン

(b) the ion with 36 electrons, 35 protons, and 45 neutrons

(b) 電子36個、陽子35個、中性子45個をもつイオン

(d) the ion with a 2+ charge, atomic number 38, and mass number 87

(d) 電荷2＋、原子番号38、質量数87のイオン

Exercise 13問題 13

Open the Build an Atom simulation and click on the Atom icon.

「原子をつくろう」シミュレーションを開き、原子のアイコンをクリックしなさい。

(a) Pick any one of the first 10 elements that you would like to build and state its symbol.

(a) 最初の10元素から、作ってみたい元素を一つ選び、その記号を答えなさい。

(b) Drag protons, neutrons, and electrons onto the atom template to make an atom of your element.
State the numbers of protons, neutrons, and electrons in your atom, as well as the net charge and mass number.

(b) 原子のテンプレートに陽子、中性子、電子をドラッグし、選んだ元素の原子を作りなさい。原子の陽子数、中性子数、電子数と、正味の電荷、質量数を答えなさい。

(d) Predict whether your atom will be stable or unstable. State your reasoning.

(d) 作った原子が安定か不安定かを予測しなさい。推論の根拠を述べなさい。

(e) Check the “Stable/Unstable” box. Was your answer to (d) correct? If not, first predict what you can do to make a stable atom of your element, and then do it and see if it works. Explain your reasoning.

(e) 「Stable/Unstable」にチェックを入れなさい。(d)の答えは正しかったか。正しくなければ、まず選んだ元素の安定した原子を作るために何ができるか予測し、それを実行して、うまくいくか確かめなさい。推論の根拠を説明しなさい。

Solution解き方

(a) Carbon-12, ¹²C; (b) This atom contains six protons and six neutrons. There are six electrons in a neutral ¹²C atom. The net charge of such a neutral atom is zero, and the mass number is 12. (c) The preceding answers are correct. (d) The atom will be stable since C-12 is a stable isotope of carbon. (e) The preceding answer is correct. Other answers for this exercise are possible if a different element of isotope is chosen.

(a) 炭素12、¹²C。(b) この原子は陽子6個と中性子6個を含む。中性の¹²C原子には電子が6個ある。このような中性原子の正味の電荷はゼロで、質量数は12である。(c) 上の答えは正しい。(d) C-12は炭素の安定同位体なので、この原子は安定である。(e) 上の答えは正しい。異なる元素や同位体を選べば、この問題にはほかの答えもあり得る。

Exercise 14問題 14

Open the Build an Atom simulation.

「原子をつくろう」シミュレーションを開きなさい。

(a) Drag protons, neutrons, and electrons onto the atom template to make a neutral atom of Oxygen-16 and give the isotope symbol for this atom.

(a) 原子のテンプレートに陽子、中性子、電子をドラッグし、酸素16の中性原子を作り、その同位体記号を答えなさい。

(b) Now add two more electrons to make an ion and give the symbol for the ion you have created.

(b) 電子をさらに2個加えてイオンを作り、そのイオンの記号を答えなさい。

Exercise 15問題 15

Open the Build an Atom simulation.

「原子をつくろう」シミュレーションを開きなさい。

(a) Drag protons, neutrons, and electrons onto the atom template to make a neutral atom of Lithium-6 and give the isotope symbol for this atom.

(a) 原子のテンプレートに陽子、中性子、電子をドラッグし、リチウム6の中性原子を作り、その同位体記号を答えなさい。

(b) Now remove one electron to make an ion and give the symbol for the ion you have created.

(b) 電子を1個取り除いてイオンを作り、そのイオンの記号を答えなさい。

Solution解き方

(a) Lithium-6 contains three protons, three neutrons, and three electrons. The isotope symbol is ⁶Li or

_{3}^{6} Li .

(b) ⁶Li⁺ or

_{3}^{6} {Li}^{+}

(a) リチウム6には陽子3個、中性子3個、電子3個が含まれる。同位体記号は⁶Liまたは

_{3}^{6} Li .

である。(b) ⁶Li⁺または

_{3}^{6} {Li}^{+}

。

Exercise 16問題 16

Determine the number of protons, neutrons, and electrons in the following isotopes that are used in medical diagnoses:

医療診断に用いられる次の同位体について、陽子数、中性子数、電子数を求めなさい。

(a) atomic number 9, mass number 18, charge of 1−

(a) 原子番号9、質量数18、電荷1−

(b) atomic number 43, mass number 99, charge of 7+

(b) 原子番号43、質量数99、電荷7＋

(d) atomic number 81, atomic mass number 201, charge of 1+

(d) 原子番号81、質量数201、電荷1＋

(e) Name the elements in parts (a), (b), (c), and (d).

(e) (a)、(b)、(c)、(d)の元素名を答えなさい。

Exercise 17問題 17

The following are properties of isotopes of two elements that are essential in our diet. Determine the number of protons, neutrons and electrons in each and name them.

次は、食事から摂る必要がある二つの元素の同位体の性質である。それぞれの陽子数、中性子数、電子数を求め、元素名を答えなさい。

(a) atomic number 26, mass number 58, charge of 2+

(a) 原子番号26、質量数58、電荷2＋

(b) atomic number 53, mass number 127, charge of 1−

(b) 原子番号53、質量数127、電荷1−

Solution解き方

(a) Iron, 26 protons, 24 electrons, and 32 neutrons; (b) iodine, 53 protons, 54 electrons, and 74 neutrons

(a) 鉄、陽子26個、電子24個、中性子32個。(b) ヨウ素、陽子53個、電子54個、中性子74個。

Exercise 18問題 18

Give the number of protons, electrons, and neutrons in neutral atoms of each of the following isotopes:

次の各同位体の中性原子について、陽子数、電子数、中性子数を答えなさい。

(a)

_{5}^{10} B

(a)

_{5}^{10} B

(b)

_{80}^{199} Hg

(b)

_{80}^{199} Hg

(c)

_{29}^{63} Cu

(c)

_{29}^{63} Cu

(d)

_{6}^{13} C

(d)

_{6}^{13} C

(e)

_{34}^{77} Se

(e)

_{34}^{77} Se

Exercise 19問題 19

Give the number of protons, electrons, and neutrons in neutral atoms of each of the following isotopes:

次の各同位体の中性原子について、陽子数、電子数、中性子数を答えなさい。

(a)

_{3}^{7} Li

(a)

_{3}^{7} Li

(b)

_{52}^{125} Te

(b)

_{52}^{125} Te

(c)

_{47}^{109} Ag

(c)

_{47}^{109} Ag

(d)

_{7}^{15} N

(d)

_{7}^{15} N

(e)

_{15}^{31} P

(e)

_{15}^{31} P

Solution解き方

(a) 3 protons, 3 electrons, 4 neutrons; (b) 52 protons, 52 electrons, 73 neutrons; (c) 47 protons, 47 electrons, 62 neutrons; (d) 7 protons, 7 electrons, 8 neutrons; (e) 15 protons, 15 electrons, 16 neutrons

(a) 陽子3個、電子3個、中性子4個。(b) 陽子52個、電子52個、中性子73個。(c) 陽子47個、電子47個、中性子62個。(d) 陽子7個、電子7個、中性子8個。(e) 陽子15個、電子15個、中性子16個。

Exercise 20問題 20

Click on the site and select the “Mix Isotopes” tab, hide the “Percent Composition” and “Average Atomic Mass” boxes, and then select the element boron.

サイトを開いて「Mix Isotopes」タブを選び、「Percent Composition」と「Average Atomic Mass」の表示を隠して、ホウ素を選びなさい。

(a) Write the symbols of the isotopes of boron that are shown as naturally occurring in significant amounts.

(a) 天然に無視できない量が存在すると示されているホウ素同位体の記号を書きなさい。

(b) Predict the relative amounts (percentages) of these boron isotopes found in nature. Explain the reasoning behind your choice.

(b) これらのホウ素同位体が天然に存在する相対量（百分率）を予測しなさい。その値を選んだ根拠を説明しなさい。

(c) Add isotopes to the black box to make a mixture that matches your prediction in (b). You may drag isotopes from their bins or click on “More” and then move the sliders to the appropriate amounts.

(d) Reveal the “Percent Composition” and “Average Atomic Mass” boxes. How well does your mixture match with your prediction? If necessary, adjust the isotope amounts to match your prediction.

(d) 「Percent Composition」と「Average Atomic Mass」を表示しなさい。作った混合物は予測とどれくらい合っているか。必要なら、同位体の量を予測に合うよう調整しなさい。

(e) Select “Nature’s” mix of isotopes and compare it to your prediction. How well does your prediction compare with the naturally occurring mixture? Explain. If necessary, adjust your amounts to make them match “Nature’s” amounts as closely as possible.

(e) 同位体の「Nature’s」の混合を選び、予測と比較しなさい。予測は天然の混合とどれくらい一致するか。説明しなさい。必要なら、「Nature’s」の量にできるだけ近づけるよう調整しなさい。

Exercise 21問題 21

Repeat Exercise 20 using an element that has three naturally occurring isotopes.

天然に三つの同位体が存在する元素を使い、問題20を繰り返しなさい。

Solution解き方

Let us use neon as an example. Since there are three isotopes, there is no way to be sure to accurately predict the abundances to make the total of 20.18 amu average atomic mass. Let us guess that the abundances are 9% Ne-22, 91% Ne-20, and only a trace of Ne-21. The average mass would be 20.18 amu. Checking the nature’s mix of isotopes shows that the abundances are 90.48% Ne-20, 9.25% Ne-22, and 0.27% Ne-21, so our guessed amounts have to be slightly adjusted.

ネオンを例にしよう。同位体が三つあるため、平均原子質量を20.18 amuにする存在比を、確実に正しく予測することはできない。存在比をNe-22が9%、Ne-20が91%、Ne-21は微量だけと推測しよう。平均質量は20.18 amuとなる。天然の同位体の混合を確認すると、存在比はNe-20が90.48%、Ne-22が9.25%、Ne-21が0.27%なので、推測した量を少し調整する必要がある。

Exercise 22問題 22

An element has the following natural abundances and isotopic masses: 90.92% abundance with 19.99 amu, 0.26% abundance with 20.99 amu, and 8.82% abundance with 21.99 amu. Calculate the average atomic mass of this element.

ある元素の天然存在比と同位体質量は、90.92%が19.99 amu、0.26%が20.99 amu、8.82%が21.99 amuである。この元素の平均原子質量を計算しなさい。

Exercise 23問題 23

Average atomic masses listed by IUPAC are based on a study of experimental results. Bromine has two isotopes, ⁷⁹Br and ⁸¹Br, whose masses (78.9183 and 80.9163 amu, respectively) and abundances (50.69% and 49.31%, respectively) were determined in earlier experiments. Calculate the average atomic mass of bromine based on these experiments.

IUPACが示す平均原子質量は、実験結果の検討に基づいている。臭素には⁷⁹Brと⁸¹Brの二つの同位体があり、その質量（それぞれ78.9183 amu、80.9163 amu）と存在比（それぞれ50.69%、49.31%）は、以前の実験で求められた。これらの実験に基づいて、臭素の平均原子質量を計算しなさい。

Solution解き方

79.90 amu

Exercise 24問題 24

Variations in average atomic mass may be observed for elements obtained from different sources. Lithium provides an example of this. The isotopic composition of lithium from naturally occurring minerals is 7.5% ⁶Li and 92.5% ⁷Li, which have masses of 6.01512 amu and 7.01600 amu, respectively. A commercial source of lithium, recycled from a military source, was 3.75% ⁶Li (and the rest ⁷Li). Calculate the average atomic mass values for each of these two sources.

異なる供給源から得た元素では、平均原子質量が変動することがある。リチウムはその一例である。天然鉱物由来のリチウムの同位体組成は、⁶Liが7.5%、⁷Liが92.5%で、それぞれの質量は6.01512 amuと7.01600 amuである。軍用のものから再利用した市販のリチウムは、⁶Liが3.75%であった（残りは⁷Li）。この二つの供給源について、それぞれ平均原子質量を計算しなさい。

Exercise 25問題 25

The average atomic masses of some elements may vary, depending upon the sources of their ores. Naturally occurring boron consists of two isotopes with accurately known masses (¹⁰B, 10.0129 amu and ¹¹B, 11.00931 amu). The actual atomic mass of boron can vary from 10.807 to 10.819, depending on whether the mineral source is from Turkey or the United States. Calculate the percent abundances leading to the two values of the average atomic masses of boron from these two countries.

英語のヒント

一部の元素の平均原子質量は、鉱石の産地によって変動することがある。天然のホウ素は、質量が正確に知られている二つの同位体（¹⁰B、10.0129 amuと、¹¹B、11.00931 amu）からなる。ホウ素の実際の原子質量は、鉱物がトルコ産か米国産かによって10.807〜10.819の範囲で変わり得る。この二つの国に由来するホウ素の、二つの平均原子質量を与える同位体の存在百分率を計算しなさい。

Solution解き方

Turkey source: 20.3% (of 10.0129 amu isotope); US source: 19.1% (of 10.0129 amu isotope)

トルコ産：20.3%（10.0129 amuの同位体）、米国産：19.1%（10.0129 amuの同位体）

Exercise 26問題 26

The ¹⁸O:¹⁶O abundance ratio in some meteorites is greater than that used to calculate the average atomic mass of oxygen on earth. Is the average mass of an oxygen atom in these meteorites greater than, less than, or equal to that of a terrestrial oxygen atom?

ある隕石中の¹⁸O：¹⁶Oの存在比は、地球上の酸素の平均原子質量の計算に使われる比より大きい。これらの隕石中の酸素原子の平均質量は、地球上の酸素原子の平均質量より大きいか、小さいか、等しいか。

anion

陰イオン

negatively charged atom or molecule (contains more electrons than protons)

負に帯電した原子または分子（陽子より電子のほうが多い）

atomic mass

原子質量

average mass of atoms of an element, expressed in amu

amuで表した、ある元素の原子の平均質量

atomic mass unit (amu)

原子質量単位（amu）

(also, unified atomic mass unit, u, or Dalton, Da) unit of mass equal to

\frac{1}{12}

of the mass of a ¹²C atom

統一原子質量単位（u）、またはドルトン（Da）ともいう。¹²C原子の質量の

\frac{1}{12}

に等しい質量の単位。

atomic number (Z)

原子番号（Z）

number of protons in the nucleus of an atom

原子核内の陽子の数

cation

陽イオン

positively charged atom or molecule (contains fewer electrons than protons)

正に帯電した原子または分子（陽子より電子のほうが少ない）

chemical symbol

元素記号

one-, two-, or three-letter abbreviation used to represent an element or its atoms

元素またはその原子を表すために使う、1文字、2文字、または3文字の略号

Dalton (Da)

ドルトン（Da）

alternative unit equivalent to the atomic mass unit

原子質量単位と等しい別の単位

fundamental unit of charge

基本電荷単位

(also called the elementary charge) equals the magnitude of the charge of an electron (e) with e = 1.602

\times

10⁻¹⁹ C

電気素量ともいう。電子の電荷の大きさ（e）に等しく、e = 1.602

\times

10⁻¹⁹ Cである。

ion

イオン

electrically charged atom or molecule (contains unequal numbers of protons and electrons)

電気的に帯電した原子または分子（陽子数と電子数が等しくない）

mass number (A)

質量数（A）

sum of the numbers of neutrons and protons in the nucleus of an atom

原子核内の中性子数と陽子数の和

unified atomic mass unit (u)

統一原子質量単位（u）

alternative unit equivalent to the atomic mass unit

原子質量単位と等しい別の単位