John Dalton (1766-1844)
化学者、物理学者、
気象学者
画像はWikipedia より引用
ドルトンが用いた
元素記号と原子量の表 Amedeo Carlo
Avogadro
(イタリア、1776 - 1856) 化学者、物理学者
画像は Wikipedia より引用
1811年: 論文「物質の基本粒子の 相対的質量とこれらの化合比率を 決定する一つの方法」
11
アボガドロと分子の発見
ゲイ＝リュサック (仏 1778 -1850)による気体反応の法則 (1808年)
「ある反応に 2 種以上の気体が関与する場合、反応に関係する
各気体の体積は、同じ圧力、同じ温度の元で簡単な整数比になる。」
例. 水素 2L と酸素 1L から水蒸気 2L ができる。
当時は同種の原子が結合して分子になるという発想は常識外とされていた。
素朴に考えると酸素原子は半分に分かれることになってしまう (下図)。
原子が分割不可能であるという原子説の前提と矛盾。
+ =
アボガドロの法則 (1811年、当時は仮説)
「同一圧力、同一温度、同一体積の全種類の気体には同数の分子が含まれる」 ﹅ ﹅ 当時は重要性が理解されず → そのため各元素の質量比の決定が困難
スタニズラオ・カニッツァーロ (伊、1826-1910) の
1858 年の論文、1860 年の国際会議によってアボガドロの仮説の再評価
12
アボガドロの法則に従って分子を認めると、
水素が酸素と結合して水ができる反応は、次のように表される。
+ =
見事原子を分割することなく、実験結果を再現 2H2+ O2 → 2H2O 原子の質量はほぼ陽子と中性子からなる (後述)
質量数… N: 中性子数 Z: 陽子数として、 A=N+Z のこと 各原子は、AZ (Zに対応する元素記号) で表す
(左下の Z は書かないことも多い) 例. 炭素 12 → 126C (６個の中性子と6個の陽子) 原子量…「一定の基準によって定めた原子の質量」
現在では (1961年から)、12C の原子質量の 1/12 を 1 とする。
分子量… 分子を構成する原子量の総和 原子量の決定
ある元素の原子量を求めるにはその元素を含む多数の気体を反応させ、
その原子を取り出し、同じ圧力、同じ温度、同じ体積の元での質量を調べ、
その最大公約数を元にして決めれば良い。
13
アボガドロ定数 NA
12 g の炭素 12 (12C)の中に含まれている原子の個数 NA=6.02… 1023 [1/mol]
1 mol 物質量を表す単位 粒子がアボガドロ定数 NA 個集まったら 1 mol (物質量)=(粒子の個数)/(アボガドロ定数)
例. 酸素 (O) の原子量は 16 であるので、
酸素原子(O) 1mol の質量は 16 g 、酸素分子 (O2) 1mol の質量は 32g。
酸素分子 1mol は酸素原子を1個として数えると、酸素原子 2 mol になる。
多数の元素発見と周期表
19世紀は元素発見の時代でもあった (100年間で 50 個の元素発見)。
鉱石の分析、電気分解、
炎光分析(光のスペクトルを見る方法、第７回の講義) (疑問) 1. 元素は一体いくつあるのか？
2. お互いの元素の間に何か関係性はないのか？
1869年、ドミトリ・メンデレーエフ (露、1834 - 1907) によって 原子量順に元素を並べた周期表が作成される (次ページ)。
現在は アルフレッド・ヴェルナー (スイス、1866-1919, 1913 年ノーベル化学賞) による、長周期表 (1905年) が一般に用いられる
(右) Dmitri Mendeleev
(1834-1907、サンクトペテルブルク大学教授) (下)1871年にメンデレーエフが改良した周期表
当時未発見だった、原子量 44, 原子量 68, 原子量 72 の元素は後に見つかり、それぞれスカンジウム (Sc), ガリウム (Ga), インジウム (In) と名付けられた。
画像はともに Wikipedia から引用
原子から宇宙まで
(https://sites.google.com/site/kfukukawa00/hosei) 第13回 (12/22) 前期量子論 (1) ̶ 原子の中へ
1. 電子の発見 2. 原子模型
3. プランクによるエネルギー量子の発見 4. 光の粒子性
第14 回 (1/12)
1. ボーアの原子模型 2. 電子の波動性
3. 電子軌道
4. 原子核物理学の幾つかの話題 参考文献
マンガで分かる量子力学 (オーム社、石川 憲二 著)
X線からクオークまで 二十世紀の物理学者たち (みすず書房、E. セグレ著)
1
前回の復習
・古代ギリシャの原子説 レウキッポス、デモクリトス
・錬金術 … 四元素説 (前々回) の後継であり、また中世・古代の化学 様々な化合物の発見や、基本的な化学実験技術への貢献
・フロギストン(燃素)説 … フロギストンがある物質は燃え、
物が燃えたらフロギストンが出て行く 化学革命から原子説へ
・ボイルによる錬金術への懐疑からの原子説の提案
・ラボアジェによる化学革命 … 質量保存の法則、燃焼は酸素との結びつき 近代初の元素表
・ドルトンの原子説 … 定比例の法則、倍数比例の法則から着想 当時は同種の原子による分子の発想なし (電気的な考察による)
・ゲイ=リュサックによる気体反応の法則が発見され、矛盾が指摘される。
・アボガドロの法則 … 原子説と気体反応の法則間の矛盾を説明
「同じ圧力、同じ体積、同じ温度の全種類の期待には同数の分子が含まれる」
化合物の化学式の決定、原子量・分子量の決定
・ メンデレーエフ … 周期表の作成 (未発見元素の予言)
2