第2章原子・分子・イオン
2.3 Atomic Structure and Symbolism2.3 原子の構造と記号表記
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to:
この節を終えると、次のことができるようになる。
- Write and interpret symbols that depict the atomic number, mass number, and charge of an atom or ion原子やイオンの原子番号、質量数、電荷を表す記号を書き、読み取る
- Define the atomic mass unit and average atomic mass原子質量単位と平均原子質量を定義する
- Calculate average atomic mass and isotopic abundance平均原子質量と同位体の存在比を計算する
The development of modern atomic theory revealed much about the inner structure of atoms. It was learned that an atom contains a very small nucleus composed of positively charged protons and uncharged neutrons, surrounded by a much larger volume of space containing negatively charged electrons. The nucleus contains the majority of an atom’s mass because protons and neutrons are much heavier than electrons, whereas electrons occupy almost all of an atom’s volume. The diameter of an atom is on the order of 10−10 m, whereas the diameter of the nucleus is roughly 10−15 m—about 100,000 times smaller. For a perspective about their relative sizes, consider this: If the nucleus were the size of a blueberry, the atom would be about the size of a football stadium (Figure 2.11).
英語のヒント
現代の原子論の発展によって、原子内部の構造について多くが明らかになった。原子には、正に帯電した陽子と電荷をもたない中性子からなる非常に小さな原子核があり、その周囲を、負に帯電した電子が存在するはるかに大きな空間が取り囲んでいることが分かった。陽子と中性子は電子よりはるかに重いため、原子核は原子の質量の大部分を含む。一方、電子は原子の体積のほぼすべてを占める。原子の直径は10−10 m程度であるのに対し、原子核の直径は約10−15 m、つまり約100,000分の1である。大きさの関係をつかむため、次のように考えよう。原子核がブルーベリーの大きさなら、原子はフットボール競技場ほどの大きさになる(図2.11)。
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Figure 2.11図 2.11
If an atom could be expanded to the size of a football stadium, the nucleus would be the size of a single blueberry. (credit middle: modification of work by “babyknight”/Wikimedia Commons; credit right: modification of work by Paxson Woelber)
原子をフットボール競技場の大きさに拡大できたなら、原子核はブルーベリー1粒ほどの大きさになる。(中央の出典:「babyknight」/Wikimedia Commonsの作品を改変、右の出典:Paxson Woelberの作品を改変)
Atoms—and the protons, neutrons, and electrons that compose them—are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 10−23 g, and an electron has a charge of less than 2 10−19 C (coulomb). When describing the properties of tiny objects such as atoms, we use appropriately small units of measure, such as the unified atomic mass unit (u) and the fundamental unit of charge (e). The unified atomic mass unit is defined as exactly 1/12 of the mass of a single atom of the carbon-12 isotope (more on isotopes is provided later in this section) and is equal to 1.6605 10−24 g. The dalton (Da) is an alternative mass unit that is equivalent to the u. Many literature resources, including this text, use the older term atomic mass unit (amu) when referring to the u or the Da. The fundamental unit of charge (also called the elementary charge) equals the magnitude of the charge of an electron (e) with e = 1.602 10−19 C.
英語のヒント
原子と、それを構成する陽子、中性子、電子は、極めて小さい。たとえば、炭素原子の質量は2 10−23 g未満で、電子の電荷は2 10−19 C(クーロン)未満である。原子のような微小なものの性質を表すときは、統一原子質量単位(u)や基本電荷単位(e)など、それに合う小さい測定単位を使う。統一原子質量単位は、炭素12同位体の原子1個の質量の、正確に12分の1と定義される(同位体についてはこの節の後半でさらに扱う)。その値は1.6605 10−24 gである。ドルトン(Da)はuと等しい別の質量単位である。本書を含む多くの文献では、uやDaを指す際に、原子質量単位(amu)という以前からの呼称を使う。基本電荷単位(電気素量ともいう)は電子の電荷の大きさ(e)に等しく、e = 1.602 10−19 Cである。
A proton has a mass of 1.0073 amu and a charge of 1+. A neutron is a slightly heavier particle with a mass 1.0087 amu and a charge of zero; as its name suggests, it is neutral. The electron has a charge of 1− and is a much lighter particle with a mass of about 0.00055 amu (it would take about 1800 electrons to equal the mass of one proton). The properties of these fundamental particles are summarized in Table 2.2. (An observant student might notice that the sum of an atom’s subatomic particles does not equal the atom’s actual mass: The total mass of six protons, six neutrons, and six electrons is 12.0993 amu, slightly larger than 12.00 amu. This “missing” mass is known as the mass defect, and you will learn about it in the chapter on nuclear chemistry.)
英語のヒント
陽子は1.0073 amuの質量と1+の電荷をもつ。中性子は少し重く、質量は1.0087 amu、電荷はゼロであり、その名のとおり中性である。電子は1−の電荷をもち、質量は約0.00055 amuと、はるかに軽い粒子である(陽子1個の質量と等しくなるには、電子が約1800個必要になる)。これらの基本粒子の性質を表2.2にまとめる。(注意深い学生なら、原子を構成する粒子の質量の合計が、その原子の実際の質量と等しくないことに気づくかもしれない。陽子6個、中性子6個、電子6個の総質量は12.0993 amuで、12.00 amuより少し大きい。この「失われた」質量は質量欠損と呼ばれ、核化学の章で学ぶ。)
Properties of Subatomic Particles 原子を構成する粒子の性質 |
|||||
|---|---|---|---|---|---|
Name 名称 |
Location 位置 |
Charge (C) 電荷(C) |
Unit Charge 単位電荷 |
Mass (amu) 質量(amu) |
Mass (g) 質量(g) |
electron 電子 |
outside nucleus 原子核の外側 |
−1.602 10−19 |
1− |
0.00055 |
0.00091 10−24 |
proton 陽子 |
nucleus 原子核 |
1.602 10−19 |
1+ |
1.00727 |
1.67262 10−24 |
neutron 中性子 |
nucleus 原子核 |
0 |
0 |
1.00866 |
1.67493 10−24 |
The number of protons in the nucleus of an atom is its atomic number (Z). This is the defining trait of an element: Its value determines the identity of the atom. For example, any atom that contains six protons is the element carbon and has the atomic number 6, regardless of how many neutrons or electrons it may have. A neutral atom must contain the same number of positive and negative charges, so the number of protons equals the number of electrons. Therefore, the atomic number also indicates the number of electrons in an atom. The total number of protons and neutrons in an atom is called its mass number (A). The number of neutrons is therefore the difference between the mass number and the atomic number: A – Z = number of neutrons.
英語のヒント
原子核内の陽子の数を、その原子の原子番号(Z)という。これは元素を決める特徴であり、その値が原子の種類を決定する。たとえば、陽子を6個含む原子は、中性子や電子が何個であっても炭素元素であり、原子番号は6である。中性の原子は正電荷と負電荷を同数含まなければならないため、陽子の数と電子の数は等しい。したがって、原子番号は原子内の電子の数も示す。原子内の陽子と中性子の総数を質量数(A)という。よって、中性子の数は質量数と原子番号の差、すなわちA − Z = 中性子の数である。
Atoms are electrically neutral if they contain the same number of positively charged protons and negatively charged electrons. When the numbers of these subatomic particles are not equal, the atom is electrically charged and is called an ion. The charge of an atom is defined as follows:
英語のヒント
原子は、正に帯電した陽子と負に帯電した電子を同数含むとき、電気的に中性である。これらの粒子の数が等しくないとき、原子は電気的に帯電し、イオンと呼ばれる。原子の電荷を次のように定義する。
Atomic charge = number of protons − number of electrons
原子の電荷 = 陽子の数 − 電子の数
As will be discussed in more detail later in this chapter, atoms (and molecules) typically acquire charge by gaining or losing electrons. An atom that gains one or more electrons will exhibit a negative charge and is called an anion. Positively charged atoms called cations are formed when an atom loses one or more electrons. For example, a neutral sodium atom (Z = 11) has 11 electrons. If this atom loses one electron, it will become a cation with a 1+ charge (11 − 10 = 1+). A neutral oxygen atom (Z = 8) has eight electrons, and if it gains two electrons it will become an anion with a 2− charge (8 − 10 = 2−).
英語のヒント
この章の後半で詳しく扱うが、原子(および分子)は通常、電子を得たり失ったりすることで電荷をもつ。電子を1個以上得た原子は負電荷をもち、陰イオンと呼ばれる。原子が電子を1個以上失うと、陽イオンと呼ばれる、正に帯電した原子になる。たとえば、中性のナトリウム原子(Z = 11)は電子を11個もつ。この原子が電子を1個失うと、電荷1+の陽イオンになる(11 − 10 = 1+)。中性の酸素原子(Z = 8)は電子を8個もち、電子を2個得ると、電荷2−の陰イオンになる(8 − 10 = 2−)。
Example 2.3例題 2.3
Composition of an Atom原子の構成
Iodine is an essential trace element in our diet; it is needed to produce thyroid hormone. Insufficient iodine in the diet can lead to the development of a goiter, an enlargement of the thyroid gland (Figure 2.12).
英語のヒント
ヨウ素は食事から摂る必要がある必須微量元素であり、甲状腺ホルモンを作るために必要である。食事中のヨウ素が不足すると、甲状腺が大きくなる甲状腺腫を発症することがある(図2.12)。
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Figure 2.12図 2.12
(a) Insufficient iodine in the diet can cause an enlargement of the thyroid gland called a goiter. (b) The addition of small amounts of iodine to salt, which prevents the formation of goiters, has helped eliminate this concern in the US where salt consumption is high. (credit a: modification of work by “Almazi”/Wikimedia Commons; credit b: modification of work by Mike Mozart)
(a) 食事中のヨウ素が不足すると、甲状腺腫と呼ばれる甲状腺の腫大を起こすことがある。(b) 塩への少量のヨウ素の添加は甲状腺腫を予防し、塩の消費量が多い米国で、この問題の解消に役立ってきた。(出典a:「Almazi」/Wikimedia Commonsの作品を改変、出典b:Mike Mozartの作品を改変)
The addition of small amounts of iodine to table salt (iodized salt) has essentially eliminated this health concern in the United States, but as much as 40% of the world’s population is still at risk of iodine deficiency. The iodine atoms are added as anions, and each has a 1− charge and a mass number of 127. Determine the numbers of protons, neutrons, and electrons in one of these iodine anions.
英語のヒント
食塩に少量のヨウ素を添加すること(ヨウ素添加塩)によって、米国ではこの健康上の問題はほぼ解消された。しかし、世界人口の40%もの人々が、今もヨウ素欠乏のリスクにさらされている。ヨウ素原子は陰イオンとして添加され、それぞれ電荷1−、質量数127をもつ。このヨウ素陰イオン1個に含まれる陽子、中性子、電子の数を求めなさい。
Solution解法
The atomic number of iodine (53) tells us that a neutral iodine atom contains 53 protons in its nucleus and 53 electrons outside its nucleus. Because the sum of the numbers of protons and neutrons equals the mass number, 127, the number of neutrons is 74 (127 − 53 = 74). Since the iodine is added as a 1− anion, the number of electrons is 54 [53 – (1–) = 54].
ヨウ素の原子番号は53なので、中性のヨウ素原子は核内に陽子53個、核外に電子53個をもつ。陽子数と中性子数の合計が質量数127に等しいため、中性子数は74である(127 − 53 = 74)。ヨウ素は1−の陰イオンとして添加されるため、電子数は54である[53 − (1−) = 54]。
Check Your Learning理解を確かめよう
An ion of platinum has a mass number of 195 and contains 74 electrons. How many protons and neutrons does it contain, and what is its charge?
ある白金イオンの質量数は195で、電子を74個含む。陽子と中性子はそれぞれ何個含まれるか。また電荷はいくらか。