教養の化学 第４週：２０１3年10月14日 担当 杉本昭子 前回のまとめ：物質の構成（１） 1. 物質を構成する基本要素は元素である。 2. 各元素は原子と言う粒子でできている。 3. 原子と原子が結合（共有結合）して分子をつくる。 4.共有結合の他に、原子同士の結合には金属結合、 イオン結合がある。 5.元素の違いは、原子核の陽子の数の違いである。 6. 原子番号（陽子数）が同じで質量数の異なる原 子核を、互いに同位体（アイソトープ）という。 確認して下さい！ 原子番号と質量数 原子番号（Ｚ）：陽子の数＝電子の数 質量数（Ａ）：陽子の数＋中性子の数 一般式 元素記号 質量数 原子番号 4 2 He 元素記号 再び同位体 先週積み残した同位体の続き 安定同位体、放射性同位体 放射線とは何か 原子核でおこる反応 原子の構造 １．原子の構造 原子核を中心に電子がまわり、それ全体を原子という。 原子核 電子 ２．同位体 原子核で起こっていること ３．原子の電子配置 電子の話 同位体 定義 原子番号（陽子数）が同じで質量数の異なる(中性子 数のみ異なる）原子核を、互いに同位体という。 同位体の中には不安定な核種があり、エネルギー や質量を失って安定な状態へ変化するものがある。 この様な同位体を放射性同位体という。 同位体は、1896年にベックレル（フランス）がウランの 放射性同位体を発見したのが最初で、その後、非放射性 同位体の存在も確認されるようになった。 同位体 安定同位体(Stable Isotope) 同位体 放射能を持たない。 自然界で一定の割合をもって安定に存在している。 全て天然に存在する元素で、81種、核種（原子核の種類） としては275存在する。全元素中で最も質量数の大きい安定 同位体は208Pb.(ウランやトリウムなどの放射性元素が壊変 すると、最終的には鉛の同位体を生じる) 放射性同位体(Radioisotope) 放射能を持つ。 時間とともに電子、陽子、中性子を放出して原子番号が変 わってゆく。14種は元素の生成以来存在。7種は半減期が 1000万年ぐらいのためにすでに死滅した。人工的にも合成 されるため、核種としては現在約2000存在。 放射性同位体(Radioisotope) なぜ放射線がでるのだろうか？ 不安定な原子核から放射線を放出して、より安定な他の 元素に変化する性質を持つ。 不安定＝高いエネルギー状態 安定＝低いエネルギー状態 不安定 安定 物理の基本法則：熱力学第2法則 “閉鎖系(外界とエネルギー及び物質の交換をしない系）では、万 物が無秩序(乱雑）な状態に向かう” 系の乱雑さを測るための量を系のエントロピーと呼び、乱雑なほど 大きい。系は、常にエントロピーが大きい配置に変化する。 放射性同位体 放射線(Radiation)とは ？ 原子核 原子核で起こる核反応 ＝核崩壊、核融合、核分裂など 原子 電子 電子の相互作用で起こる反応 ＝分子の生成、身の回りで起 こる種々の分子同士の反応 放射線は核反応の産物である。 放射線にちなんで原子核で起こる反応を見てみ ましょう！ 放射性同位体（放射線） 放射線 物質中の原子核が壊変（崩壊）して自発的に放射線を放 出する性質を放射能という。 放射線は、放射性元素の崩壊に伴って放出される粒子線 あるいは電磁波のこと。（広義には宇宙線、中性子線、陽 子線、電子線等を含めることもある。） 自然界の放射線は3種類（α線、β線、γ線）がある。 α線＝ヘリウムの原子核 β線＝電子 γ線＝電磁波 放射線 １）α崩壊：α線を放出 α線 Ａ Ｚ Ｘ α崩壊 Ａ-4 Ｚ-2 Ｙ + 4 2 He + energy 原子核がヘリウム原子核を放出する。残りの 原子核は原子番号が2、質量数が4小さくなる 放射線 ２）β崩壊：β線(電子）を放出 Ａ Ｚ Ｘ β崩壊 Ａ Ｚ+1 Ｚ + 0 -1 e- + energy （電子） 1 0 ｎ （中性子） ｐ + 1 1 0 -1 （2・1） β線 e- + energy （2・2） （陽子） （電子） 反応の本質は（2・2）で中性子が陽子と電子に分裂する ことにある。 放射線 α線、β線は粒子線といい、主に原子核 の崩壊により放出される。それ以外に電 磁放射線に分類されるものがある。 γ線や、Ｘ線がその例である。 ３）γ崩壊：γ線を放出 放射線核種が崩壊して、質量や陽子、中性子の比率が変 わっても、その原子核には過剰なエネルギーが残存してい る場合がある。このとき、残存しているエネルギーをγ線 （電磁波）として放出することで原子核は安定に向かう。 この現象をγ崩壊と呼ぶ。放出するγ線のエネルギー領域 は核種によって様々である。核種によっては単一領域のγ 線しか出さないものもあるが、一般的には複数領域のγ線 を出す。 放射線 透過性(放射線が物質を突き抜ける能力） 同じ放射線(α、β、γ）であれば、エネルギーの高いも のほど透過力は強い α線は紙1枚程度で遮蔽できる。 β線は厚さ数mmのアルミニウムで遮蔽できる。 γ線は透過力が強く、コンクリートであれば 50cm、鉛であっても10cmの厚みが必要になる。 α線＜β線＜γ線 中性子線は最も透過力が強く金属は簡単に透 過する。水素と衝突してエネルギーを失う性質 があり、水やコンクリートの厚い壁に含まれる 水素原子によってはじめて遮断できる。 放射線 線エネルギー付与率(LET: Linear Energy Transfer) 放射線が物質中を透過する時、単位長さ（1μm)を進む 間に失うエネルギー(放射線が単位長さあたりに物質に 与えるエネルギー） エネルギー付与率と放射線の透過力とは正反対の関係 α線＞β線＞γ線 α線＝透過距離は短いが、エネルギー付与率が大きい。 (短い距離で大きなエネルギーを物質に与え、早くエネルギーを失う） β線＝エネルギー付与率は中程度。 γ線＝エネルギー付与率が最も小さい。 放射線 生物学的効果比 （ＲＥＢ：Relative Biological Effectiveness） 放射線に被曝した場合に同じ吸収線量であっても、放射線の種 類、エネルギーの違いにより生物に及ぼす効果に量的な差があ る。その違いを比で表したものでγ線、電子線の影響を基準の１ としている。ＲＢＥは、ＬＥＴが高くなるにつれて大きくなる。 被爆した際、生体に及ぼす影響 α線＞β線＞γ線 放射性同位体 放射性同位体の特徴 • 放射線同位体から出る放射線を検出し、同位体の存 在場所、検出、測定、追跡などができる。 • 生物は放射性同位体と安定同位体を見分けることが できない。(化学的な性質は殆ど同じ） • 固有の半減期がある（半減期＝放射能が半分になる までの時間） • 核種によっては、生体物質に傷害を与える。 原子の構造：放射性同位体 放射性同位体の利用 半減期とは？ 放射性核種が崩壊して別の核種に変わるとき、元の核種の半 分が崩壊する期間を半減期という。崩壊は自然現象なので崩 壊までの期間は確率によってのみ左右される。 同じ放射性核種であれば、すべての原子核がある時間内に崩 壊する確率は等しい。崩壊する確率に応じて一定の速度で内 部の原子核が崩壊してゆくことになる。 この速度を言い換えた値が半減期で、はじめに存在した状態 の半分が崩壊するまでの時間のこと。この値は各放射性核種 で定数となる。それを式で表すと v=-dN/dt=kN k:崩壊定数 （教科書ｐ18） 放射性同位体の利用 1）半減期を利用した年代測定 宇宙線（放射線）により成層圏 中の14Ｎから14Ｃが絶えず生じ、 規則的に崩壊し14Ｎに戻る 14ＣはＣＯ の形で大気中に広 2 がる。大気中で14Ｃの壊れる量 と生じる量がつり合い、ほぼ一 定に保たれている。 植物から始まる食物連鎖によ り、生物は体内に大気と同じ割 合の14Ｃを持つ。 1 14 7 Ｎ + 0ｎ 中性子 1 14 6Ｃ + 1Ｈ 陽子 放射性同位体の利用 1）半減期を利用した年代測定 植物をはじめ生物は死ぬと外界か らの14Ｃの取り込みが途絶え、体 内の14Ｃが壊変して減り続ける。 14Ｃ の半減期は5730年。 遺物に残る14Ｃの割合から、そ の生物が死んだ年を推定でき る。 放射性同位体 ２）標識化合物としての同位体の利用 核合成や、天然の物質から分離する方法で種々の同位体を 合成し、用途に合わせ目的化合物に取り入れ、標識化合物 として用いる。 ポジトロン断層法：癌の診断に用いられる試薬として 18Ｆで標識した18F-FDQ ＮＭＲ構造解析：同位体核種により核スピンが異なることを利用 13C、15Nなど 代謝測定：2H、H218O、13Cなどで標識した試薬を体内に入れ、呼気、尿 に含まれる二酸化炭素や水分中の同位体比を測定し、代謝 状況を解析する。 材料研究：同位体比に大きな差異を持たせた水などの化合物を、工学材料 に投入し、同位体比の経時変化を測定し、物質の動態を調べる 放射性同位体 3）標識化合物としての安定同位体の利用 ヘリコバクター・ピロリ菌（Helicobacter pylori)の検出 • ヒトの胃に生息するらせん型の細菌 • 慢性胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍、 胃がん等の原因と考えられている。 • 細菌の中でヒトの悪性腫瘍の原因と 確認されている唯一の菌 • 胃の強い酸性の中で、アルカリ性の アンモニアを産生し、中和して胃酸の 殺菌作用を免れ生存している。 ピロリ菌の電子顕微鏡写真 放射性同位体 3）標識化合物としての安定同位体の利用 ヘリコバクター・ピロリ菌（Helicobacter pylori)の検出 あらかじめ炭素-13（安定同位体）で標識した尿素製剤を服用し、服 用前と服用10－20分後の呼気中の標識された二酸化炭素の量を 調べ、ピロリ菌の有無を検査する。（天然の存在量は約1％） ピロリ菌はウレアー ゼ（酵素）を持って いる。 ついでに・・原子核で起こる反応 原子核はエネルギーの宝庫！ 核壊変（崩壊）の他に核融合、核分裂などの反 応があります。 放射線核崩壊、核分裂、核融合 原子核はエネルギーの宝庫！ 核分裂 不安定核（重い原子核、陽子過剰核， 中性子過剰核等）が分裂してより軽 い元素を二つ以上作る反応 原子の構造：原子核はエネルギー の宝庫 核分裂と核融合 核分裂 235Uの原子核に中性子 が衝突すると、原子核 は分裂し、中性子を放 出して質量数の小さな 核分裂生成物になる。 この時膨大なエネル ギーが発生する。この 現象を利用したのが、 原子爆弾であり、制御 して行わせるのが原子 力発電。 原子の構造：原子核はエネルギー の宝庫 核分裂：原子力発電への応用 原子炉は核分裂反応を制御して少しずつ分裂させる装置 燃料棒： 核分裂を起こす燃料。235U. （天然存 在比0.7％のため、濃縮） 制御棒：反応制御のため、中性子の数を制 限する。中性子を吸収する元素を用いる。 減速剤： 235Uの核分裂で発生する中性子は 運動エネルギーが大きい高速中性子で235U とは反応しない。そこで中性子の速度を減 速させるのが、減速剤。日本では水を用い ている。 原子炉 原子の構造：原子核はエネルギー の宝庫 核分裂と核融合 核融合 質量数の小さな原子核がある程度接近すると、原子核同士が引 き合う力（核力）が、反発する力（クーロン力）を超え融合し て大きな原子核と中性子になり、この時核融合エネルギーが放 出される。太陽で起こっている反応である。この反応を利用し たのが、水素爆弾である。 核反応のエネルギー 核分裂と核融合 アインシュタイン理論：質量とエネルギーは等価 であり、 E = mc2の関係が存在する 核分裂と核融合ともに大量のエネルギーが出るのはなぜか？ 代表的な核分裂反応 235Ｕ ＋ ｎ 95Ｙ ＋139Ｉ ＋ 2ｎ 元素記号の左肩に示した質量数は原子核の中に存在する陽子と中性子（核子） の和であり、右辺と左辺の核子数は等しい。しかし、実際の原子核の質量は一 般に核子が自由な状態にあった時に観測される質量の総和よりも小さい。この 質量差を質量欠損と呼ぶ。質量欠損は、原子核内部の核子の結合エネルギー の大きさを表していて、特殊相対性理論の質量とエネルギーの等価性 E = mc2 で質量に換算される。 E = mc2 エネルギー(E) = 質量(m)×光速度(c)の 2乗 したがって、核分裂前と分裂後の質量の差は結合エネルギーの差であり、核分 裂を起こすとこの質量の差に相当するエネルギーが外部に放出される。 物質の構成（2） 周期律と周期表、イオン、分子 式、組成式 第4週講義 周期律と周期表 • • • 紀元前から「万物の根源となる物質は何 か？」が論じられてきた。 1800年頃までに33種の元素が発見。 1869年、メンデレーフ（ロシア）が現在の周期 表の原型をつくる。 周期律と周期表 元素を原子番号順(つまり陽子の数順）に並べると、 一定の周期で化学的性質が変化する。 例えば、単体の融点や沸点、生じる単原子イオンの 価数、イオン化エネルギーなど、性質の似通った元素 が周期的に表れる。すなわち周期表の横の列（周期） ごとに元素の性質が規則性を持って周期的に変化し てゆく。 周期表で縦（族）の列に並ぶ元素を同族元素といい、 これらは互いに性質が似ている。また、価電子と呼 ばれる電荷も等しいことがわかる。 周期律と周期表 族：縦の列 周期：横の列 Ｒｇ 原子の構造：元素の周期表 周期表の見方 縦：族：1～18 横：周期：1～7 同族元素：同じ族に属する元素 固有名称で呼ばれるものがある Ｈ以外の1族：アルカリ金属 Be, Mg以外の2族：アルカリ土類金属 17族：ハロゲン 18族：希ガス 典型元素：1,2,12～18族 金属元素と非金属元素がほぼ半分ずつ含まれる。典型元素 の同族元素では、同族同士の化学的性質が似ている。 遷移元素：3～11族 全て金属元素である。同一周期の隣り合う元素同士で化学 的性質が似ている。 典型金属 遷移元素 ランタノイド アクチノイド 半金属元素 典型非金属 ＝短周期 元素の周期表 何だか難しそうに思えて嫌気がさしていますか？ でも、簡単に金属と非金属元素に分けてみれば… 金属元素が圧倒的に多いのです！ A Biological Periodic Table （生物学周期表） これは我々の体に含まれる元素です！ 生体物質の大部分を構成している元素。（原子の99％、体重の96％） 主な無機物質 （体重の２％） 微量元素 ＜＜＜１％ （Ｆｅ 0.005％） 周期律と周期表 周期表の覚え方 電子殻と原子軌道 なぜ、周期律がうまれるのか？ 原子番号の増加に伴って原子の価電子 数が周期的に変化するからである。 では価電子とは何か？ そもそも電子の配置とは何か？ 原子の構造 １．原子の構造 原子核を中心に電子がまわり、それ全体を原子という。 原子核 電子 ２．同位体 原子核で起こっていること ３．原子の電子配置 電子の話 電子殻と原子軌道 電子が動きまわる場所(存在確率の高い場所） 電子雲の中は・・・ 電子殻 電子雲は電子殻と呼ばれる何層にも分かれた層状の構造に なっている！ 電子殻と原子軌道 電子が動きまわる場所(存在確率の高い場所） 電子殻 この様に習ったのでは？ 電子雲は電子殻と呼ばれる何層にも分かれた層状の構造に なっている！ 電子殻と原子軌道 電子殻 電子はこの電子殻のどれかに所属しなくてはならない。 原子や分子のような微小な世界では量が不連続に変化する。 すなわち、量が量子化されている。 電子殻も量子化されている。電子殻の半径が量子化されている。 電子殻と原子軌道 連続と不連続の変化の違い 連続 不連続（量子化） 原子の構造：電子殻 電子殻 電子殻には名前がある。原子核に近い順に、Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎ・・・殻 Ｋ，Ｌ，Ｍ・・・殻 をそれぞれ ｎ＝1，ｎ＝2，ｎ＝3・・・とすると 各電子殻の半径は ｎ2 となる。この整数ｎを量子数という。 量子数 ｎ＝4 ｎ＝3 ｎ＝2 ｎ＝1 原子の構造：電子殻 電子殻 電子殻に入る電子の数には限度がある。 それぞれの電子殻に入る電子の数は最大で２ｎ２となる。 ｎ＝１の場合は２個 ｎ＝２の場合は８個 ｎ＝３の場合は１８個 原子の構造：電子殻 電子殻に収納可能な電子数 n 電子数 2n 2 K殻 1 2 L殻 2 8 M殻 3 18 N殻 4 32 O殻 5 50 P殻 6 72 殻 主量子数 ２ｎ２ 原子の電子配置 それぞれの電子殻に入る電子の数は最大で２ｎ２となる。 n=1 Ｋ殻 n=2 Ｌ殻 n=3 Ｍ殻 原子の電子配置 化学的性質や化学反応等に関係するのは、最外殻電子 n=1 Ｋ殻 n=2 Ｌ殻 n=3 Ｍ殻 原子の電子配置：イオン イオン(ion) 電子数と陽子数が等しくない場合、その原子あるいはその原子 を含む分子は電荷を持つ. 負電荷を持つ原子や分子は陰イオン：アニオン(anion) 正電荷を持つ原子や分子は陽イオン：カチオン(cation） 原子の化学の多くは、希ガス(He,Ne.Ar,Kr,Xe,Rn)と同じ電 子配置を取ろうとして、電子を受け入れたり放出したりする 傾向に支配されている。 希ガスは電子殻が満たされていて特別に安定な原子である。 ある殻(shell)を満たすことにより特別安定な配置になるとい う考え方をオクテット則(octet rule)という。 原子の電子配置：イオン 電子殻に（2+8）個 カチオンの生成 （陽電子） 電子殻に（2+8+8）個 アニオンの生成 （陰電子） 原子の電子配置：イオン イオン化電位（エネルギー）と電子親和力 原子から電子1個を取去って陽電子にするのに要するエネルギーをイオ ン化電位(ionization potential)という。一般に原子核から遠いほど取 去り易く、イオン化電位が低い。 電子1個が原子に付加して負電荷を持つ陰電子を生成する時に放出されるエ ネルギーをその原子の電子親和力(electron affinity)という。電子の付加 で希ガスと同じ電子配置になるような原子は大きな電子親和力を持つ。 18 Ar 原子の電子配置：イオン 黒数字：イオン化電位 赤数字：電子親和力 単位：eV 周期表左端：イオン化電位が小さく容易にカチオンになりやすい原子 周期表右端：電子親和力が大きく電子を受け入れやすい原子（希ガス別） イオン化電位の小さな原子は電子親和力の大きな原子に電子を渡してイオン結合 (ionic bond)を作りやすい。 原子の電子配置：イオン結合 塩化ナトリウム(NaCl) フッ化ナトリウム (NaF) + Na 11 と 9 F - 類似 それぞれ 電子10個 塩化カリウム (KCl) + K 19 と Cl 17 それぞれ 電子18個 イオン結合でできている化合物は、 正負の電荷の間の静電的な引力 （クーロン力）によって結合！ 類似 N e 電子10個 10 18 Ar 電子18個 原子の電子配置：イオン結合 イオンになる時に 授受した電子の数 名称 単原子の陽イオン： 元素名にイオン 単原子の陰イオン： 元素名の語尾を ～化物イオン 組成式（教科書ｐ25） 構成原子（原子団）の数 を最も簡単な整数比で 示した化学式 イオンの化合物は、陽イオンと陰イオンによる電荷の総和がゼロになる。 （陽イオンのイオン価数） Ｘ （陽イオンの数） ＝（陰イオンのイオン価数） Ｘ （陰イオンの数）
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