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原子と元素の違いについて


 どうもこんばんはライネです。
 いきなりですがちょっと今後の展開について悩み事があります。

 工業立地についての話が終わりまして、今日からは資源について見ていこうかと思うのですが、
 工業の話の中で既にエネルギー資源や鉄、アルミニウムなどすでに調べているものもあります。

 そして一言に資源といっても数限りなく存在しているので、
 地球上に存在する全ての物質について説明するわけにも行きません。
 
 というわけで、色々と考えた結果、一番基準となる資源であり、
 また長らく先送りにしてきた「元素」について、調べてみようかと思うのですが・・・


 元素という分野については、当ブログの目指す「世界の全てを調べよう」の流れとしては、
 真っ当なのですが、ご存じのとおりブログのタイトルを「地理」から拝借しています。

 地理とは何かと言えば、まさしく「地球のことわり」であり、
 地球だって宇宙にあるので、この世の全てについて可能な限り調べるというのは、
 何にも間違ってないと思います。


 そう思うのですが、学問を体系的に捉えた場合、元素と言うのは化学の領域です。
 はたして、この遠回りは正しいのだろうかと不安になるのですが、
 それでも工業について調べていて、何度もぶつかった化学と物理の壁は、
 無視しきれるものでもないので、思い切って一歩踏み出そうと思います。


 というわけで、「Geographico!」は今日から「Chemistry!」編に突入いたします!!
 


 言い訳はこの程度にして、化学の領域について、少し整理しておきましょう。
 さすがに全ての化学分野を網羅するわけにもいきませんので、元素に関する部分だけです。
 なので、そもそも元素とは何かという話に落ち着きます。

 元素について説明する前に、前に物理の基本についてかじった時のこれをご覧ください。

最小の物質

 この図を見ると、実際には原子は原子核と電子に分かれ、
 原子核は陽子と中性子に分かれ、
 さらに陽子や中性子はクオークという素粒子からできていると言う風に、
 物理学の発展と共に、どこまでも小さく分けられるようになっています。

 が、化学という分野では「原子」を基準に考えるのだそうです。
 原子の仕組みを理解するために陽子や中性子、電子くらいまでは扱うようですが、
 素粒子は物理の領域ということで良さそうです。


 で、これまた非常に面倒な話で、私もこれまでずっと混同して使っていたのですが、
 元素というのは原子をちょっとざっくり見たときの呼び方なのだそうです。



 例えば、夕飯を食べ終わった先生は「何かスイーツ的なものはないでしょうか?」
 と、いつも聞いてきます。 
 今日はミカンを買ってきていたので、「ミカンがあるよ」と果物かごに入れたミカンを
 渡すと、テレビを見ながらするするとミカンを剥いて食べていました。 


 この時、先生の食べたミカンは、静岡県産のミカンでした。
 けれどもミカンという全く同じものでも、愛媛県産のミカンもあるわけです。
 つまり、これ以上分けることのできない最小単位、ここではミカンが元素です。

 ところがミカンにも種類があって、静岡県産のものや、愛媛県産のものというふうに、
 例えば産地が違う場合は全く同じものであっても、扱い上は違うものなわけです。
 このようにさらに細かく見たときのものが原子だと考えてください。

 言い換えれば、見た目や性質(ミカンで言えば味)は同じ元素であっても、
 細かいところを見るとちょっと違う原子と言うものが存在しているということです。


 まあ、これを区別する必要は今のところはないと思うのですが、
 より正しく言うならば、私がこれから見て行くものは「元素」だったと言う訳です。
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水素(H)


 どうもこんばんはライネです。
 というわけで化学編です。
 工業編はまだ終わってないのですが、化学と物理をある程度理解しなければ
 先に進めなさそうなので、ちょっと遠回りします。


 まずはもっとも単純な形をしている水素から調べてみましょう。
 もっとも単純であるがゆえに、研究が進んでいて、ある意味複雑なのですが、
 水素というものは、基本的には陽子1つの原子核と、電子1つから成り立っているそうです。

水素
 
 「基本的には」という言葉が付きまとうのですが、
 実は陽子1個、中性子1個、電子1個から作られる水素もあるし、
 陽子1個、中性子2個、電子1個の水素もあるのだそうです。



 なお、中性子のない水素が最も一般的で「プロチウム」もしくは「軽水素」と呼ばれます。
 実際一般的過ぎるものなので、よっぽどのことが無ければ水素と言えばこれです。
 そして中性子が1個の水素は「デュウテリウム」もしくは「重水素」、
 中性子2個の水素は「トリチウム」もしくは「三重水素」と呼ばれています。
 
 ついでに言うと、中性子が7個もある七重水素までなら作れるそうですが、
 自然に存在するのは重水素までで、これを見つけた人はノーベル賞をもらっています。
 ただし、三重水素は自然の中で偶然、化学実験と同じことが起こってできてしまうようです。
 

 ちなみに、三重水素以上になると、かなり不安定になってしまうため、
 途中で中性子が陽子に生まれ変わってしまいその際、放射線(ベータ線)を出すそうです。
 原子力発電で散々説明しましたが、放射線は目に見えないほど小さな銃弾のようなものですので、
 たくさん浴びすぎると危険といえば危険ですのでご注意ください。


 この様に中性子の数は色々と変化するものの、水素の電子の数は常に1個です。
 どうやら元素の性質は電子の数によって左右されるらしいので、
 昨日の原子と元素の話をもってくると、これらひとつひとつは異なる原子ですが、
 全部ひっくるめてみれば水素元素ということになります。

 元素として見たときの水素は宇宙で最も多く、ありふれた存在なので、
 手に入れようと思えば特に苦労することもなく手に入るのですが、
 純粋に水素だけをたくさん作る方法としては、天然ガスから作られることが多いようです。


 利用方法としては、燃えやすく、燃やしたところで出る物が水だけという性質を利用して、
 燃料として使われることが多いようです。

ヘリウム(He)


 どうもこんばんはライネです。
 今日はヘリウムについて見ていきましょう。

 ちなみに、全ての元素をこのペースで見て行った場合、4ヶ月近くかかるので、
 さすがに1日1元素のまま続けるつもりはありません。
 でも、水素やヘリウムからは学べることが多いので、
 当面はこのペースが続くと思います。



 さて、ヘリウムは基本的に2つの陽子、2つの中性子、2つの電子からできているそうです。
 ここで重水素や三重水素以外では、はじめて中性子というものが登場します。

ヘリウム

 この基本的なヘリウムのことを「ヘリウム4」と言うようですが、
 やはり重水素や三重水素のような例外がありまして、このような電子の数は同じだけれども、
 中性子の数が違うものを「同位体(どういたい)」もしくは「アイソトープ」と呼ぶそうです。

 ちなみに、ヘリウムの同位体には中性子の数が0~8個あるものまで存在するハズらしいのですが、
 中性子が0個のヘリウム、いわゆる「ヘリウム2」は「あるらしいけれどもまだ断言できない状態」で、
 中性子が1個のヘリウム、いわゆる「ヘリウム3」は、地球以外のところになら割とたくさんある
 のだそうです。

 また、中性子が3個以上のヘリウム5~ヘリウム10についてはあるにはあるけれど、
 不安定過ぎて他の元素などに変わってしまうものなのだそうです。
 
 ここで、すでにピンときている人もいると思いますが、
 陽子1個、中性子2個の三重水素や、陽子2個、中性子2個のヘリウム4など、
 どうやら同位体名の数字部分は、陽子と中性子を足した数というルールがあるようですね。



 ついでに、三重水素とヘリウム3の違いをご覧ください。

ベータ崩壊

 三重水素は陽子1個、中性子2個、電子1個の原子、
 ヘリウム3は陽子2個、中性子1個、電子2個の原子です。

 実は中性子が陽子に変わって、さらに電子を1個増やせば三重水素はヘリウムになるのです。
 この現象は実際に起こっているらしく、これを「ベータ崩壊」と言うそうです。


 
 また、重水素と三重水素の原子核からヘリウム4の原子核(電子の無い状態の原子)と、
 あまった中性子1個ができあがるようです。
 実際、宇宙にあるヘリウムの原子核は大部分はこのように誕生し、
 その後、電子を手に入れてヘリウムになったそうです。

ヘリウム原子核の誕生

 ちなみに、ヘリウムは燃えない、くっつかない、軽いという性質を持っています。
 くっつかない、軽いということを考えると、袋の中にでも入れておかなければ、
 すぐにどこかに逃げて行ってしまう元素なのだそうです。

 それゆえに、当初ヘリウムは地球上には無いと考えられていました。
 ちょっと説明するには紙幅が少なすぎるのですが、地球上のヘリウムは
 宇宙からやってきたものよりも、地球内部で新たに作られているもののほうが多いようです。

 また燃えにくく軽いという性質から、風船や飛行船など、空を飛ぶものに良く使われているのだそうです。

リチウム(Li)


 どうもこんばんはライネです。
 今日は3つ目の元素、リチウムについてです。

 もう、お気づきかと思いますが、元素の順番は陽子の数で決まります。
 なので、3番目のリチウムの陽子は3個、電子も3個です。
 中性子も3個と4個の場合は比較的安定しているのだそうです。

リチウム


 さて、これまで見てきた水素やヘリウムは宇宙に大量に存在している元素でした。
 一般的に元素は高いエネルギーの環境で陽子や中性子をかき集めて作られるので、
 元素の番号が小さいほど大量にある傾向なのだそうです。

 けれども、リチウムはそれほどたくさんあるわけではないそうです。
 むしろリチウムよりも番号の大きなもののほうが大量にあったりするという、
 ちょっと不思議な現象が起こっております。

 
 どうやら、リチウムは異なる元素に変化してしまいやすい性質があるらしく、
 そのうえ、水素やヘリウムに比べると作りにくいという関係から、数が少ないのだそうです。


 それに反して工業的な利用価値は物凄く高く、
 携帯電話やノートパソコンなどの電池には、リチウムが使われているそうです。

電子はどこに行った


 どうもこんばんはライネです。
 今日は電子のある場所について見ていきましょう。

 実は昨日登場したリチウムは、それ以前の水素、ヘリウムと違う所に電子が1個あるそうです。

電子の位置

 元素が持っている電子の数は陽子の数と等しいので、
 これまで登場してきた元素でいえば、水素は1、ヘリウムは2、リチウムは3個の
 電子を陽子を持っていると言う訳です。

 その電子の位置ですが、「一番近い所では2個まで」と決まっているのだそうです。
 例えるなら、コタツに入っている状態で、手の届く範囲には2個までしか物が置けないと
 考えてください。

 そして3個目の電子はもう手の届く範囲には置いておけないので、ちょっと遠くに置いておきます。
 故に、図にするとこんな感じになるようです。

電子の位置2

 なので、例えばもっとたくさんの電子を持っている場合は、
 順次、原子核(陽子と中性子)から遠い所に置かれると言う訳です。

 なお、コタツから2番目に近い位置に置いておける電子の数は6個までなので、
 一番近いところに置いた電子と合わせて8個以上ある場合は、より遠い位置に置かれることになります。


 この、原子核からの近さと置いておける電子の数の関係は、
 電子の数と距離
 ですので、5番目に近い所における電子の数は、「5×5×2」で50個という計算になります。
 ついでに4番目は32個、3番目は18個なので、5番目が満杯になるには電子が100個必要です。
 

 ただし、これに順番に入っていくかというと絶対ではなく、遠くても便利な場所に先に入るのだそうです。
 具体的に見てみると、19個の電子を持っているカリウムは、
 1番目に2個、2番目に8個、3番目に8個、そしてまだ3番目のところには10個おいておけるのに、
 なぜか先に4番目のところに1個置いているのだそうです。

カリウムの電子配列

 他にも5番目の位置には、電子が50個置いておけるからと言って、実際には50個入ることはなく、
 32個以上入っている元素はまだ見つかっていないのだそうです。



 さて、最後にとんでもない話をひとつ。
 ここまで具体的な電子の位置を話してきましたが、実際には電子は「あるかないかで言えばある」
 というレベルでしか存在していないのだそうです。

 ここから先は、量子力学という通常の思考をする人間には立ち入れない領域になりますが、
 電子のような素粒子の世界では、例えば先生の部屋のように、部屋の中には絶対にあるけれど、
 どこにあるかは見つけるまで解らないというような話のようです(たぶん)

電子の位置3

 なので、実際には一番近い電子は手の届く範囲にあるのは確かだけれども、
 どこにあるかは探してみないと解らないという、まさに冬場のリモコンのような状況なのだそうです。
プロフィール

ライネ

Author:ライネ
ライネと申します。
先生の家に居候するラザフォード人です。
現在この世界のことを勉強中。
リンクとかもろもろ含めて商業的利用以外ならご自由にどうぞ。面白そうな企画には飛び乗ります。

合言葉は「真面目な事を不真面目に!」
記事の真偽は自己責任でお願いします。

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