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化学入門 – 講義と実習

学習目標

このセクションの終わりまでに、次のことができるようになります。

  • 周期律を述べ、周期表における元素の構成を説明する
  • 周期表内の位置に基づいて元素の一般特性を予測する
  • 金属、非金属、および金属化合物を、その特性や周期表上の位置によって識別する

初期の化学者が鉱石の浄化に取り組み、さらなる元素を発見したとき、彼らは、類似の化学挙動によってさまざまな元素が一緒にグループ化できることに気がつきました。 そのようなグループの 1 つに、リチウム (Li)、ナトリウム (Na)、およびカリウム (K) があります。 これらはいずれも光沢があり、熱や電気をよく通し、化学的性質が似ている。 もうひとつは、カルシウム（Ca）、ストロンチウム（Sr）、バリウム（Ba）など、光沢があり、熱や電気をよく通し、化学的性質が似ている元素。 しかし、この2つのグループの具体的な性質は、互いに著しく異なっている。 たとえば Li、Na、KはCa、Sr、Baに比べて反応性が高く、Li、Na、Kは酸素と2対1の割合で化合物を作るが、Ca、Sr、Baは酸素と1対1の割合で化合物を作る。 フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、ヨウ素（I）も互いに似た性質を示すが、上記のどの元素とも性質が大きく異なる。

ロシアのディミトリ・メンデレーエフ（1869）とドイツのローター・マイヤー（1870）は、当時知られていた元素の性質の間に周期的関係があることを独立して認識した。 そして、両者とも原子量の多い順に元素を並べた表を発表した。 しかし、メンデレーエフはマイヤーよりも一歩進んで、その表を用いて、アルミニウムやシリコンに似た性質を持つが、まだ知られていない元素の存在を予言したのである。 ガリウム(1875年)とゲルマニウム(1886年)の発見は、メンデレーエフの研究を大きく後押しすることになった。 メンデレーエフとマイヤーは優先順位をめぐって長い間争っていたが、周期表の発展に対するメンデレーエフの貢献は現在ではより広く認められている（図1）。 (a) ディミトリ・メンデレーエフは、(b)最初の元素の周期表を作成したと広く信じられている。 (クレジット a: Serge Lachinov による作業の改変、クレジット b: “Den fjättrade ankan” による作業の改変/Wikimedia Commons)

20世紀までに、周期的関係は原子質量ではなく原子番号を含むことが明らかとなっていました。 この関係を現代的に表現したものが周期律であり、「元素の性質は原子番号の周期関数である」というものです。 現代の周期表は、元素を原子番号の大きい順に並べ、性質の似ている原子を同じ縦列に並べている(図2)。 各ボックスは元素を表し、原子番号、記号、平均原子質量、および（場合によっては）名称が記載されている。 元素は、周期または系列と呼ばれる7つの横列と、グループと呼ばれる18の縦列に配列されている。 グループは各列の上部にラベル付けされている。 米国では伝統的に数字に大文字のラベルを付けている。 しかし、IUPACは1から18までの数字を使うことを推奨しており、これらのラベルがより一般的である。

図2.表が1ページに収まるように、2列の一部、合計14列が表本体の下に書かれているのが一般的である。

多くの元素は、その化学的および物理的性質が大きく異なりますが、いくつかの元素はその挙動が類似しています。 たとえば、多くの元素は光沢があり、可鍛性（壊さずに変形できる）、延性（線状に引ける）があり、熱や電気をよく通す。 一方、光沢がなく、可鍛性、延性に富み、熱や電気をよく通す元素もある。 金属（光沢があり、可鍛性で、熱と電気をよく通す元素-黄色の網掛け）、非金属（鈍く見え、熱と電気の伝導性が悪い元素-緑の網掛け）、メタロイド（熱と電気を適度に通し、金属のいくつかの性質と非金属のいくつかの性質を持つ元素-紫の網掛け）に分類することができる。

また、元素は、1、2、13～18と書かれた列の主族元素（または代表元素）、3～12と書かれた列の遷移金属、表の下の2行の内部遷移金属（上段の元素をランタノイド、下段の元素をアクチノイドと呼ぶ：図3）に分類することができる。 元素は、化合物の組成など、より具体的な性質によってさらに細かく分類することができる。 例えば、第1族（1列目）の元素は、その元素の原子1個と水素の原子1個からなる化合物を形成する。 これらの元素（水素を除く）はアルカリ金属と呼ばれ、どれも似たような化学的性質を持っています。 第2族（第2列）の元素は、その元素の1つの原子と水素の2つの原子からなる化合物を形成する。 これらはアルカリ土類金属と呼ばれ、同じような性質を持っている。 その他、プニクトゲン（15族）、カルコゲン（16族）、ハロゲン（17族）、希ガス（18族、不活性ガスともいう）などがあり、具体的な名称が付けられている。 また、各グループは、グループの最初の元素で呼ばれることもある。 例えば、カルコゲンは酸素族と呼ばれることがある。 水素は、1A族と7A族の両方の元素に似た性質を持つ、ユニークな非金属元素である。

図3.

Royal Society of Chemistry のこのリンクをクリックすると、元素の特性を調べるために使用できるインタラクティブな周期表があります (各元素のポッドキャストやビデオも含まれています)。 You may also want to try this one from PeriodicTable.com that shows photos of all the elements.

Example 1: Naming Groups of Elements

Atoms of each of the following elements are essential for life. Give the group name for the following elements:

  1. chlorine
  2. calcium
  3. sodium
  4. sulfur
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The family names are as follows:

  1. halogen
  2. alkaline earth metal
  3. alkali metal
  4. chalcogen

Check Your Learning

Give the group name for each of the following elements:

  1. krypton
  2. selenium
  3. barium
  4. lithium
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  1. noble gas
  2. chalcogen
  3. alkaline earth metal
  4. alkali metal

In studying the periodic table, いくつかの元素の原子量について、お気づきでしょうか。 43番元素（テクネチウム）、61番元素（プロメチウム）、そして原子番号84以上のほとんどの元素（ポロニウム）は、原子質量が角括弧で表示されています。 これは、不安定な放射性同位元素のみで構成されている元素に対して行われます（放射能については、核化学の章で詳しく学びます）。 これらの元素の放射性同位体は、供給源によって相対的な存在量が大きく異なるか、自然界に存在しない可能性があるため、平均原子量を決定することはできません。 角括弧内の数字は、その元素の最も安定した同位体の原子質量数 (およびおおよその原子量) です。

キーコンセプトとまとめ

元素間で同様の性質が周期的に繰り返されるという発見により、周期表が作成され、その中では元素は原子番号が大きい順に周期と呼ばれる行と群と呼ばれる列に配列されています。 周期表の同じグループに属する元素は、化学的性質が似ている。 元素は、金属、金属化物、非金属、または主族元素、遷移金属、内部遷移金属に分類される。 群は左から右へ1～18の番号が付けられている。 1族の元素はアルカリ金属、2族の元素はアルカリ土類金属、15族の元素はプニクトゲン、16族の元素はカルコゲン、17族の元素はハロゲン、18族の元素は希ガスとして知られています。

  1. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. uranium
    2. bromine
    3. strontium
    4. neon
    5. gold
    6. americium
    7. rhodium
    8. sulfur
    9. carbon
    10. potassium
  2. Using the periodic table, classify each of the following elements as a metal or a nonmetal, and then further classify each as a main-group (representative) element, transition metal, or inner transition metal:
    1. cobalt
    2. europium
    3. iodine
    4. indium
    5. lithium
    6. oxygen
    7. cadmium
    8. terbium
    9. rhenium
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1. (a) metal, inner transition metal; (b) nonmetal, representative element; (c) metal, representative element; (d) nonmetal, representative element; (e) metal, transition metal; (f) metal, inner transition metal; (g) metal, transition metal; (h) nonmetal, representative element; (i) nonmetal, representative element; (j) metal, representative element

Identifying Elements

  1. Using the periodic table, identify the lightest member of each of the following groups:
    1. noble gases
    2. alkaline earth metals
    3. alkali metals
    4. chalcogens
  2. Using the periodic table, identify the heaviest member of each of the following groups:
    1. alkali metals
    2. chalcogens
    3. noble gases
    4. alkaline earth metals
  3. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the noble gas in the same period as germanium
    2. the alkaline earth metal in the same period as selenium
    3. the halogen in the same period as lithium
    4. the chalcogen in the same period as cadmium
  4. Use the periodic table to give the name and symbol for each of the following elements:
    1. the halogen in the same period as the alkali metal with 11 protons
    2. the alkaline earth metal in the same period with the neutral noble gas with 18 electrons
    3. the noble gas in the same row as an isotope with 30 neutrons and 25 protons
    4. the noble gas in the same period as gold
  5. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the alkali metal with 11 protons and a mass number of 23
    2. the noble gas element with and 75 neutrons in its nucleus and 54 electrons in the neutral atom
    3. the isotope with 33 protons and 40 neutrons in its nucleus
    4. the alkaline earth metal with 88 electrons and 138 neutrons
  6. Write a symbol for each of the following neutral isotopes. Include the atomic number and mass number for each.
    1. the chalcogen with a mass number of 125
    2. the halogen whose longest-lived isotope is radioactive
    3. the noble gas, used in lighting, with 10 electrons and 10 neutrons
    4. the lightest alkali metal with three neutrons
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1. (a) He; (b) Be; (c) Li; (d) O

3. (a) krypton, Kr; (b) calcium, Ca; (c) fluorine, F; (d) tellurium, Te

5. (a) {}_{11}^{23}\text{Na} ; (b) {}_{54}^{129}\text{Xe} ; (c) {}_{33}^{73}\text{As} ; (d) {}_{88}^{226}\text{Ra}

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: 1族の元素

アルカリ土類金属：2族の元素

カルコゲン：16族の元素

族：周期表の縦列

ハロゲン：17族の元素

不活性ガス。 (希ガスとも)18族の元素

内部遷移金属。 (ランタノイド、アクチノイドとも）下2列の元素で、1列目の場合はランタノイド、2列目の場合はアクチノイドとも呼ばれる

ランタノイド：周期表の下2列の上部にある内部遷移金属

主族元素：主族元素。 (代表元素とも）1、2、12～18列の元素

金属：光沢があり、可鍛性で熱と電気をよく通す元素

メタルロイド：熱と電気を適度に通し、金属の性質と非金属の性質を併せ持つ元素

希ガス。 (不活性ガスとも)18族の元素

非金属: 鈍く見える元素、熱と電気の伝導性が悪い

期間。 (直列とも)周期表の横列

周期律: 元素の性質は原子番号の周期関数

周期表: 化学的性質の似ている元素を近くに置く元素表

nictogen：15族の元素

代表的な元素。 (主族元素とも)1列、2列、12～18列の元素

系列。 (周期も)周期表の横列

遷移金属: 3～11列の元素

遷移金属: 3～11列の元素

遷移金属: 3～11列の元素p

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