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中学生の疑問

陽子、中性子の数が1つや2つ違うだけで、全く違った性質になってしまうのは何故でしょうか。
直感的には陽子1つの差で性質が変わるとは思えないです。
分かりやすくお願いします。

A 回答 (7件)

1つや2つ違うだけで全く違った性質になるのは電子の軌道です。



中学生ならまだ学校では習っていないでしょうが、「電子軌道」「電子殻(かく)」「電子雲」といったキーワードで解説探して読んでください。電子雲の絵を見るだけでも「1つや2つ違うだけで全く違った性質」になることは直感的に納得できるだろうと思います。

原子核中の陽子の数は、それに釣り合う電子の数を決めることで、間接的に元素の性質を決めていると言えます。

中性子の数は、他の方も指摘していますが、それが少々違っても元素としての性質はほとんど変わりません。
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これは難しい質問ですね。


もともと周期表は化学的な性質が似ている原子を同じ列に並べたものです。そして、化学的な性質は、最外殻電子の形態で決まります。つまり、陽子や中性子の数とは直接の関係はないのですが、陽子が一つ増えると最外殻の電子も一つ増えることで、化学的な特性の違いが生じます。そして、化学的な特性の違いは、化学反応の起き方に現れてます。
ですから、貴方の質問は、”原子同士が引き起こす化学反応が、互いの最外殻電子の数や形態に応じて、どのように変わるのか”ということを実質的に問うてます。この問題は、専門家でも簡潔に応えることが出来ないのではないでしょうか。少なくとも、それを簡潔に説明する文献を私は知りません。

ただ、周期表には特別な列があります。一番右にある希ガスはどれも、他の元素と基本的に反応しません。水素や酸素のように通常の気体分子は2ヶの原子から出来てますが、希ガスは自分自身とも反応しないので、1ヶの原子のままガス状態になってます。これらの希ガス原子はどれも極めて安定です。これらから、電子が1ヶ増えた原子のリチウムやカリウムは非常に反応しやすい柔らかな固体で、空中で燃え出します。反対に1ヶ少ないフッ素や塩素は反応性が高く, 毒性の強いガスです。真ん中当たりの炭素やシリコンは、安定しており、同じ原子同士で結合する力が強いので、分子並の結合を際限なく形成できます。このため。ダイヤモンドやシリコンの結晶は巨大分子と呼ばれることもあります。
私は、周期表でのこれら希ガスと炭素の列の特性が、この問題解決のヒントになるような気がします。
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>陽子、中性子の数が1つや2つ違うだけで、全く違った性質になってしまう



いいえ。
「中性子」の数が違っても性質はほとんど変わりません。むしろ「区別することが難しい」です。
「中性子」の数が違っても、「陽子」の数が同じなら「同じ元素」です。

ウランは「陽子の数が92個」ですが、中性子の数が143個の「ウラン235」と、中性子の数が146個の「ウラン238」などがあって、自然界には0.7%しか存在しない「ウラン235」は核分裂をしますが、残り99.3%の「ウラン238」は核分裂をしません。なので、原爆を作ったり原発の核燃料にするには「ウラン235」の比率を高くする必要があり、それを「ウラン濃縮」と呼びますが、技術的に非常に難しくコストもかかります(軍事技術です)。そのように、中性子の数が違うだけの「ウラン235」と「ウラン238」を区別して分けることは、非常に難しいです。性質がほとんど同じで区別がつかないからです。
同様に、福島原発の排水中にたまって問題になっている「トリチウム」は、「中性子2個を持った水素(陽子1個+中性子2個で三重水素)」であり、通常の水素(陽子1個、中性子 0個)とほとんど区別がつかないために除去できないのです。(水分子 H2O の H の一方がトリチウムのになっている水なので、通常の水分子と区別できない)


それに対して、「陽子」の数が違えば「元素」が違い、性質も異なります。
それは原子核の違いというよりは、原子核の周りを回る「電子の数」が変わるからです。
原子そのものは「電気的に中性」ですから、原子核の「陽子」と同じ数の「電子」を持っています。
科は苦反応を起こしたり、他の物質と結合していろいろな分子、化合物を作るのは「電子」の役割です。電子の数は、よく「原子から出た手の本数」にたとえられます。
そういった「他の原子や物質との相互作用」には電子が重要な役割を果たすので、電子の個数が違う = 陽子の個数が違うということは、化学的な性質が大きく違い要因になります。


以上のように
・陽子の数が違う = 電子の数が違う → 性質が異なる(違った元素)
・中性子の数が違う = 電子の数は同じ → 性質はほとんど同じ(同じ元素)
ということです。
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卵だって、


焼くのと煮るのとぢゃ、
別の料理に成るのと同じ事ですッ!

何か?
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陽子や中性子は重いです。



元素やそれを含む物質の性質は、たとえば、核の周りをまわる電子の動きやすさ、隣り合う原子との結合の強さ、などの影響を強く受けます。

そこで核の重い物質は『万有引力』の働きに影響します。
重ければ引力が強くなるからです。

また、陽子は正の電気を帯びていますから『電気的引力・斥力』にも影響があります。

我々の世界で使う元素はたかだか2桁の下の方の数の陽子や中性子しか持っていません。
そんな場合、たったひとつ数が多いか少ないかはそれらの力をかなり変化させてしまいます。

たとえば、電子の大きさをバスケットボールぐらいとすると、陽子や中性子は地球の大きさぐらい大きいものです。
(電子の大きさは正確にはわかっていませんが)

物質の中で、それを構成するある原子と隣の原子との距離は、金属なんかの場合、陽子・中性子の大きさの100倍ぐらいです。
これは、ある原子核の陽子・中性子を地球とすると、隣の原子の陽子・中性子はちょうど月のあたりにあることになります。

地球の海は月からの万有引力の影響を受けて、潮が満ちたり引いたりしますが、物質のなかでも隣り合う原子間ではこのような力が働いています。

月の場所にもう一つ月があればその引力で潮の満ち引きが倍のように明らかに大きくなるのは容易に想像できますよね。

月では万有引力だけですが、そこに電気的引力・斥力が加われば、その影響がもっと大きくなるだろうことも想像できますよね。

たった1個でも陽子・中性子の数が変わると原子間に働く力が大きく変わるとはこういうことです。
その結果、それで構成されている物質は性質が大きく変わるのです。
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陽子や中性子一つであれば放射性崩壊以外の、物理的・化学的性質はそんなに変わらないはずです。


但し、陽子変更に伴って、電子軌道が変われば性質は変わります。
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陽子の数=プラス電荷の数=電子を引きつける量


電子の数が物体の性質に関与している
電子には軌道があって、内側は2個、次の軌道は8個の電子が入る
たとえば水素は電子が1個だけど、内側の軌道の2個のうちの1個しか埋まっていないので、空いている1個の軌道に他の原子の電子が入ることで他の原子と結合する。ヘリウムは2個の電子があるから空いている軌道がなくて分子になりにくい。といったように、電子の軌道の占有状態が物質の性質に大きく関わっている。
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