「原子量/相対質量」「同位体」をシミュレーターで理解しよう！[化学入門]

2022-04-30　 元素の構成

前回記事から化学の分野についての解説をしていきます。化学で一番の基礎といえるのが「原子」です。

本記事では「原子量」「同位体」を解説していきます！

おさらい：化学の基礎の基礎。原子とは？

原子とは、「この世界を構成する最小要素」です。地球にあるもの、宇宙にあるものの全てがこの「原子」で構成されます。

原子は↓の「陽子」「中性子」「電子」の3つで構成されます。

陽子

• 中性子とともに、中心(原子核)を構成する要素
• 中世子と同じ質量を持つ
• 電子とは真逆のプラスの電荷をもつ

中性子

• 陽子とともに、中心(原子核)を構成する要素
• 陽子と同じ質量を持つ
• 電荷をもたない

電子

• 原子核のまわりを回る要素
• 陽子とは真逆のマイナスの電荷を持つ
• 陽子/中性子と比べると小さく、質量がほとんどない

まとめると↓のようになります。

*正確には電子も質量はあるが0に限りなく近い値となる

「原子量/相対質量」と「同位体」

相対質量 = \(^{12}_{6}C\)を基準にした各元素の質量

原子量は「各原子の重さを知るための基準」です。そのために、↓の「相対質量」という基準を設けます。

つまり質量数12の炭素を、12としたのですから、基本的に各元素は「質量数＝相対質量」になります！例えば\(^{2}_{1}H\)は相対質量2.0になるわけです！（厳密にいうと電子の重さも入るので、微妙に誤差はでます）

↓質量数12の炭素のイメージ

同位体 = 各元素種類で中性子数が違うものグループ

↑のように相対質量は定義できますが、実際の質量を考えるときに難しいのは、「各元素ごとで中性子数が違うものがある事」です。

例えば炭素Cでも「\(^{12}_{6}C\)」「\(^{13}_{6}C\)」の2種類が主に存在するんです。このように、同じ原子番号を持つけど、質量数が違うものを「同位体」と言います。

どのぐらい同位体があるかは、元素種別によりますし、環境にもよります。地球上では「\(^{12}_{6}C\)」「\(^{13}_{6}C\)」がほとんどなのですが、厳密には「\(^{14}_{6}C\)」「\(^{15}_{6}C\)」「\(^{16}_{6}C\)」という状態もあるんです！

原子量 = 同位体の存在比率も考慮した質量

各元素は同位体を持つので、実際に各元素の重さを考慮するときにはその存在比率を考えなければいけません。

そのため、実際に各原子番号の原子の質量を考えるときには↓の「原子量」を使用します。

簡単な例でいうと「\(^{12}_{6}C\)」が75%、「\(^{13}_{6}C\)」が25％存在するとしたら↓計算で質量数は12.25という事になります！

「原子量」をシミュレーターで計算してみよう！

それでは、実際に存在比率を考慮した、原子量の計算をしてみましょう！今回は簡単に「水素」で考えています。
水素は一般的に「\(\large{^{1}_{1}H}\)」と「\(\large{^{2}_{1}H}\)」が天然に多く存在しています。この二つの同位体の比率を変えて実験してみましょう！

赤で陽子、緑で中性子、青で電子を示しています。

参考：実際の原子量

↑のような計算で原子量を求めていくわけですが、実際の地球上での原子量は↓のようになっています(抜粋)。同位体が複数あっても、結構存在比率に偏りがあり、原子量は整数に近い数になっているのがわかると思います。

まとめ：原子の質量は同位体を考慮して「原子量」で表す！

今回は原子の質量をどう表すかを説明しました。
基本は「\(^{12}_{6}C\)」を質量12と決めて、各原子の質量を計算していきます。
各原子ごとに中性子の数が違う同位体が存在するため、実際に使用する「原子量」は↓のように表します。

中性子を持つ個数によって相対質量が変わるため、同位体の存在比率を考慮して地球上での原子量を計算していくわけなんです！
　

[関連記事] 原子の基礎

1．原子の構造

2．原子の陽子数/中性子数/電子数による変化

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4．原子の表記法

5．「原子量/相対質量」「同位体」(本記事)

6．「価電子」と「周期表」

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