同じ元素の原子でも、いつもまったく同じ状態にあるわけではありません。光を吸収すると電子が高いエネルギー状態へ移り、強い熱や放電では電子が外れてイオンになることがあります。化学反応では、電子を失ったり受け取ったり、他の原子と共有したりします。
では、なぜ原子は条件によって変化するのでしょうか。
結論から言うと、通常の温度・圧力・光・化学反応で変化しやすいのは、原子核ではなく主に電子の状態です。電子は決まったエネルギー準位や軌道を占めていますが、外部からエネルギーを受け取ったり、他の原子と相互作用したりすると、その配置や数、分布が変化します。一方、原子核中の陽子数が変われば別の元素になるため、これは通常の化学変化ではなく核反応として区別されます。
原子は原子核と電子からできている
日本原子力研究開発機構は、原子を、陽子と中性子からなる原子核と、その周囲に存在する電子から構成されるものとして説明しています。
陽子は正の電荷、電子は負の電荷を持ち、中性原子では通常、陽子数と電子数が等しくなっています。
原子核中の陽子数は原子番号であり、元素の種類を決めます。水素なら陽子1個、炭素なら6個、酸素なら8個です。
このため、普通の化学反応で電子配置が変化しても、陽子数が変わらない限り元素の種類そのものは変わりません。
最も変化しやすいのは外側の電子
原子中の電子は、量子力学で許された軌道を占めます。OpenStaxは、電子が軌道へどのように配置されているかを電子配置と呼び、特に外側の価電子が元素の化学的性質に強く関係すると説明しています。
内側の電子は原子核に強く束縛されていますが、外側の電子は比較的エネルギーが高く、他の原子や外部エネルギーの影響を受けやすくなります。
そのため、化学反応、イオン化、光吸収などでは、まず価電子や高いエネルギー準位の電子が変化の中心になります。
光を吸収すると電子が励起される
原子へ適切なエネルギーの光を当てると、電子が低いエネルギー準位から高い準位へ移ることがあります。これが励起です。
NIST Atomic Spectra Databaseには、多くの原子・イオンについて基底状態と多数の励起エネルギー準位が整理されています。
電子はどんなエネルギーでも自由に取れるわけではなく、原子ごとに許された準位があります。そのため、原子が吸収する光の波長も元素やイオン状態によって異なります。
この性質を使うと、吸収スペクトルからどの元素が存在するかを調べることができます。
励起された原子は光を出して元の状態へ戻ることがある
励起状態は一般に基底状態より高いエネルギーを持つため、電子はしばらくすると低い準位へ戻ることがあります。
そのとき、準位差に対応するエネルギーを光として放出する場合があります。
原子ごとにエネルギー準位の構造が異なるため、放出される光の波長にも特徴が現れます。
炎色反応、放電管、天体観測などで元素を識別できるのは、この原子固有の発光スペクトルを利用しているからです。
熱を加えると原子同士の衝突が激しくなる
物質を加熱すると、原子や分子の運動が活発になり、衝突のエネルギーも大きくなります。
比較的低い温度では、主に並進・回転・振動や相変化が起こります。しかしさらに高温になると、衝突によって原子や分子の電子状態が励起されることがあります。
十分に高い温度では、一部の電子が原子から外れるイオン化も起こり始めます。
つまり温度上昇は、直接「元素を変える」のではなく、原子へ与えられる衝突エネルギーを増やすことで電子状態の変化を起こしやすくします。
電子が外れると原子は正イオンになる
原子から電子を一個取り去ると、陽子数より電子数が一個少なくなり、原子は正の電荷を持つイオンになります。
OpenStaxは、電子を失った原子を陽イオン、電子を受け取った原子を陰イオンと説明しています。
NISTは、原子やイオンから電子を一個取り去るために必要な最小エネルギーをイオン化エネルギーとして整理しています。
電子が一個外れても原子核の陽子数は変わらないため、ナトリウム原子がNa+になっても元素としてはナトリウムのままです。
さらに大きなエネルギーで多価イオンになる
一個目の電子を失ったイオンから、さらに電子を取り去ることもできます。
その場合は+2、+3というように電荷が大きくなり、多価イオンになります。
NIST Atomic Spectra Databaseでは、同じ元素について中性原子だけでなく、さまざまなイオン化段階の基底状態やイオン化エネルギーが収録されています。
高温プラズマや放電、天体内部では、このような高いイオン化段階の原子が存在します。
非常に高温ではプラズマ状態になる
気体を十分に高温にすると、多数の原子や分子がイオン化し、正イオンと自由電子が混在する状態になります。これがプラズマです。
プラズマでは、原子の多くが中性状態ではなくなり、電子数の異なる複数のイオン化段階が同時に存在することがあります。
温度や密度が変わると、どのイオン化段階が多くなるかも変わります。
太陽、雷、放電灯などでは、こうした電子状態・電荷状態の変化が重要です。
化学反応では価電子の移動や共有が起こる
原子の条件変化は、光や熱だけでなく、他の原子との化学反応でも起こります。
OpenStaxは、イオン結合では原子が電子を失ったり受け取ったりし、共有結合では電子を共有すると説明しています。
たとえばナトリウムと塩素が反応すると、ナトリウム側から塩素側へ電子が移動し、Na+とCl−が生じます。
このとき原子核は変化していませんが、電子数と電子分布が変わるため、単独の中性原子とは大きく異なる化学状態になります。
共有結合では電子の分布が変わる
共有結合では、電子が一方の原子から完全に移るとは限りません。
二つ以上の原子核の間に電子密度が分布し、複数の原子に共有された状態になります。
電気陰性度が異なる原子同士では、電子密度が一方へ偏り、部分的な正負の電荷が生じることがあります。
つまり原子は、結合相手が変わるだけでも周囲の電子分布が変わり、反応性や分光学的性質が変化します。
同じ元素でも酸化数が変われば化学状態が変わる
鉄はFe2+やFe3+など複数の酸化状態をとることがあります。
この違いは、原子核中の陽子数の違いではなく、電子数や結合中の電子の割り当て方の違いです。
酸化状態が変わると、電子配置や結合の性質が変わるため、色、磁性、反応性などが変化する場合があります。
同じ元素の原子でも、どの化合物中にあるかによって「化学状態」が異なるということです。
電場や磁場も電子状態へ影響を与えることがある
原子に外部電場や磁場をかけると、電子のエネルギー準位がわずかに変化・分裂する場合があります。
電場による準位変化はシュタルク効果、磁場による準位分裂はゼーマン効果として知られています。
これらの現象では原子番号や電子数が必ず変わるわけではありませんが、電子の量子状態のエネルギーが外部条件によって変化します。
精密分光や磁場測定では、このような原子の条件応答が利用されています。
圧力は原子そのものより周囲との相互作用を変える
日常的な圧力変化で、孤立原子の原子核や原子番号が変わることは通常ありません。
一方、物質中では圧力を高めると原子間距離が短くなり、電子雲の重なりや結合状態が変化します。
その結果、結晶構造、電気伝導性、磁性などが変わることがあります。
したがって「圧力で原子が変わる」というより、圧力で原子同士の距離と電子相互作用が変わり、物質中の原子の電子状態が変化すると考える方が正確です。
通常の温度や圧力では原子核はほとんど変わらない
原子核は陽子と中性子からなり、電子を束縛する力よりはるかに高いエネルギー尺度の核力で結びついています。
そのため、日常的な加熱、冷却、圧縮、溶解、化学反応で陽子数が変わることは通常ありません。
鉄を溶かしても鉄原子の陽子数は26のままであり、酸素と反応して酸化鉄になっても鉄という元素の原子核は保たれます。
この違いが、化学変化と核変化を分ける基本です。
陽子数が変わると別の元素になる
日本原子力研究開発機構は、陽子数によって元素の種類、つまり原子番号が決まると説明しています。
したがって原子核中の陽子数が変化すれば、それは同じ元素の別状態ではなく、別の元素への変化です。
このような変化は、放射性崩壊、核分裂、核融合、粒子を用いた核反応などで起こります。
必要なエネルギーや過程が通常の化学反応とは大きく異なるため、電子状態の変化と原子核の変化を混同しないことが重要です。
中性子数が変われば同位体が変わる
陽子数が同じまま中性子数だけが異なる原子は同位体です。
日本原子力研究開発機構は、同じ原子番号で質量数が異なるものを同位体と説明しています。
通常の化学反応では中性子数も変わりません。一方、放射性崩壊や核反応では中性子数が変化し、別の同位体や別元素へ移ることがあります。
温度や光による電子励起と、同位体変化は異なる階層の現象です。
放射線を受けると電子状態も原子核も影響を受け得る
放射線にはさまざまな種類とエネルギーがあります。
比較的低いエネルギーの電磁波や荷電粒子との相互作用では、主に電子の励起やイオン化が起こります。
一方、十分に高いエネルギーの粒子や光子が原子核と相互作用すれば、核反応が起こる場合があります。
「放射線で原子が変化する」と言うときは、電子状態が変わったのか、原子核そのものが変わったのかを区別する必要があります。
電子状態の変化は多くの場合元に戻り得る
励起状態の電子が基底状態へ戻る、イオンが電子を受け取って中性原子へ戻るなど、電子状態の変化には可逆的なものが多くあります。
たとえば放電でイオン化した気体も、エネルギー供給を止めると電子とイオンが再結合し、中性粒子へ戻っていきます。
化学反応も条件を変えれば逆反応が起こる場合があります。
一方、原子核の放射性崩壊のような現象は、同じ意味で簡単に元へ戻せる変化ではありません。
原子の「変化」を考えるときは三段階に分ける
原子が変化したと言うときは、何が変わったのかを三段階に分けると理解しやすくなります。
第一は電子のエネルギー状態です。光や衝突による励起が代表です。
第二は電子数や電子分布です。イオン化、電子付加、化学結合、酸化還元などが含まれます。
第三は原子核です。陽子数・中性子数が変わる核反応や放射性崩壊が該当します。
この三つを分けることで、同じ元素の中で起こる変化と、元素そのものが変わる現象を区別できます。
条件ごとに変わるものを整理する
光を当てたときは、主に電子の励起や光イオン化が起こり得ます。
温度を上げたときは、衝突エネルギーが増え、高温では励起・イオン化が進みます。
化学反応では、価電子の移動・共有・再配置が起こります。
電場・磁場では、電子のエネルギー準位や向きが変化する場合があります。
圧力では、物質中の原子間距離や電子雲の重なりが変わり、結合や電子状態が変化します。
核反応では、初めて原子核の陽子数や中性子数そのものが変化します。
まとめ
原子が光・熱・化学反応などの条件で変化するのは、外部から受けるエネルギーや周囲との相互作用によって、主に電子の状態が変わるからです。
光を吸収すれば電子が励起され、高温や強い放電では電子が外れてイオンになります。化学反応では価電子が移動・共有され、結合相手によって電子分布も変わります。電場・磁場・圧力も、電子準位や原子間相互作用を通じて原子の状態へ影響します。
一方、通常の化学的・物理的条件では原子核中の陽子数は変わりません。陽子数が変われば別元素となり、それは核反応として扱われます。
原子の変化を理解するときは、「電子のエネルギーが変わったのか」「電子数や分布が変わったのか」「原子核が変わったのか」を区別することが重要です。
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参考資料
- 日本原子力研究開発機構「原子｜原子力基本用語集」
- 日本化学会「軌道で広がる原子・分子の見方」
- OpenStax Chemistry: Atoms First 2e「Electronic Structure of Atoms」
- NIST「Atomic Spectra Database」
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