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第20回元素の分類、水素と希ガス

元素の分類（典型元素と遷移元素、金属元素と非金属元素）と周期表の関連を学びます。
また、周期表の左上にある水素と、右端の列の希ガスについて学習します。
同族元素の共通性や、周期表での位置と性質の移り変わりなどについても見ていきましょう。

今日のテーマ

今回はこれまでの復習が多く含まれているので、今までの学習を思い出しながら学んでいきましょう。
また、水素と希ガスの性質を、実験をとおして学習していきます。

＜今日のポイント＞
① 元素の分類
② 水素とその化合物
③ 希ガスとその性質

ポイントの１　　元素の分類

金属元素と非金属元素　　　　　　　単体の写真を付けた周期表　　　　典型元素と遷移元素

今回から、元素のそれぞれの性質を学習していきます。
元素にはたくさん種類があるので、性質の似た元素をまとめて学んでいきましょう。
まずは、元素の周期表の復習です。

周期表は、元素を原子番号の順番に並べて作った表です。

1つ目の分類は、金属と非金属です。これは、単体が金属か非金属かという分類です。
金属元素は、光沢があり電気を通しやすいという性質があります。
非金属元素は、光沢がなく、電気を通しにくいという性質があります。
中の図は、周期表に元素の単体の写真を貼り付けたものですが、右側に比べて、左側に
ピカピカと光っている元素が多いようです。
これは金属元素だからです。

2つ目の分類は、典型元素と遷移元素です。
典型元素は1、2族と12～18族の元素で、縦の列で性質が似ているという特徴があります。
遷移元素は3～11族の元素のことで、こちらは、すぐ隣の元素同士の性質が似ています。

ナトリウムの電子配置　　　　　　　　価電子と周期表の関係

電子配置の復習

ナトリウムを例に、元素の電子配置について復習しましょう。

ナトリウムの原子番号は11番。原子核に11個の陽子とそのまわりに11個の電子があります。
原子核に一番近い電子の軌道をＫ殻。その次をＬ殻、その次をＭ殻といいます。
ナトリウムの場合、Ｋ殻に2個の電子、Ｌ殻に8個の電子、Ｍ殻に1個の電子が入っています。
一番外側の殻の電子ことを、最外殻電子といい、最外殻電子で反応に関係する電子を価電子といいます。

右の表で、価電子と周期表の関係を見てみましょう。
周期表の縦の列の元素は価電子数が同じです。
反応する電子の数が同じなので、反応も似ています。
このように周期表には、性質の似た元素が並ぶように配置されています。

ポイントの２　　水素とその化合物

希硫酸と亜鉛を反応させます　　　水素が発生！　　　　　　　　水素のシャボン玉は浮きます

周期表の左上にありますが、水素は非金属元素です。

水素の性質を調べましょう。
水素は金属と酸を反応させてつくります。

二股試験管には、希硫酸と亜鉛が入っています。
亜鉛の方に希硫酸を入れると、すぐに激しく反応して、気体が発生しました。
試験管に発生した気体をためて、火をつけるとキュッという独特の音をたてて燃えました。
確かに水素が発生したことがわかります。

水素は空気よりも軽いという性質があります。
水素が出ているガラス管の口にしゃぼん液をつけて、シャボン玉をつくると、浮かび上がりました。

実験の内容　　　　　　　　　　　　　　反応式

図で確認しましょう。

二股試験管に希硫酸と亜鉛を入れて、2つを混ぜて水素を発生させました。
水素は気体の中で一番軽いので、水上置換法で採集します。
反応式は、
Zn ＋ H2SO4 → ZnSO4 ＋ H2

実験室では、このように水素をつくりましたが、工業的には石油に水蒸気を反応させたり、
電気分解でもつくります。

＜水素の性質＞
・色は無色透明
・水に溶けにくい（水上置換で集めることができる）

水素の中でロウソクは消え、集気びんからだすと、再び、炎がつきました　なぜ、ついたり消えたり？

水素は燃えるのでしょうか？実験をしてみましょう。

水素の入った集気びんに、火のついたロウソクを入れると、炎が消えました。
しかし、集気びんの口のあたりには炎が見えます。
ロウソクを集気びんから出すと、びんの口のところで再びロウソクに火がつきました。
集気びんの口を境に、火が消えたりついたりしました。

ものが燃えるためには、酸素が必要です。
集気びんの中には、水素だけが入っているので、火が消えてしまいます。
ところが、集気びんの口の付近には酸素があるので、炎がついています。
ロウソクを集気びんから出すと、集気ビンの口の炎でロウソクに再び火がついたのです。

この実験から、水素だけでは燃えず、酸素があると、始めて水素は燃えることがわかります。

酸化銅（Ⅱ）が還元されて銅に　　反応式　　　　　　　　　　　　　　　　水素の化合物

水素の還元性

銅線をバーナーで熱します。
十分に加熱した後に少し空気中に置くと、銅は酸化銅（Ⅱ）になり黒くなりました。
酸化銅（Ⅱ）を水素の入った試験管に入れると、一瞬で元の銅に戻り、試験管の内側がくもりました。

赤銅色の銅を加熱して空気中に置くと、酸素と反応して黒色の酸化銅（Ⅱ）になりました。
2Cu （赤銅色）＋ O2 → 2CuO （黒色）

酸化銅（Ⅱ）を水素の中に入れると、酸化銅（Ⅱ）が還元されて銅になり、同時に水素と酸素が反応して
水ができたのです。
CuO (黒色) ＋ H2 → Cu (赤銅色) ＋ H2O

このように、水素の性質には相手を還元する、還元性があります。
水素には、さまざまな物質と反応して、化合物をつくるという性質もあります。

ポイントの３　　希ガスとその性質

一番右が希ガス　　　　火のついたマグネシウムと二酸化炭素は反応、アルゴンとは反応せず

希ガスは、周期表の一番右端にある18族に位置しています。
He （ヘリウム）、Ne （ネオン）、Ar （アルゴン）、Kｒ（クリプトン）、Xe （キセノン）、Rn （ラドン）の6元素の総称です。

希ガスは、空気中にわずかに存在することから、このように呼ばれています。
空気中で1番多い物質は窒素、2番目は酸素、3番目はアルゴンです。

希ガスの特徴的な性質は、ほとんど反応しないことです。
実験で見てみましょう。
集気びんに二酸化炭素を入れて、火のついたマグネシウムリボンを集気びんに入れると激しく燃えます。
次に、集気びんにアルゴンを入れて、火のついたマグネシウムリボンを入れました。
すると、すぐに火が消えてしまいました。

右の図で、実験をまとめてみましょう。
反応性の高いマグネシウムは、二酸化炭素の酸素と化合、激しく燃えてMgOという物質をつくります。
一方、アルゴンはマグネシウムと全く反応しないため、炎が消えたのです。
他の希ガスも同様に反応しません。

アルゴンの語源は、「なまけもの」とい意味です。
ほとんど反応をしないでなまけている、ということからこの名前がつきました。

アルゴンの電子配置　　　　　　　　　希ガスは安定しています

電子配置で考える希ガスの特徴

アルゴンの原子番号は18番。電子配置を見ると、最外殻電子は8個です。
その他の希ガスの電子配置を図で見ると、ヘリウムだけ2個で、その他は全て8個です。
この電子配置はとても安定で、電子のやりとりをほとんどしません。価電子数は０です。
電子のやりとりをしないので、化学反応をしません。
希ガスは化合物をつくりません。また、1個の原子で分子をつくる単原子分子で存在します。

ネオンのシャボン玉　　　　　　　　アルゴンのシャボン玉　　　　　　　浮き沈みは分子量と関係

希ガスでシャボン玉

希ガスでシャボン玉をつくってみました。
ヘリウムとネオンのシャボン玉は、浮きましたが、アルゴンのシャボン玉は、沈みました。

右の図を見て下さい。
空気中で浮くか沈むかは、物質の分子量と関係しています。
空気の組成を窒素80％、酸素20％として、空気の平均分子量を計算すると、約29になります。
29より小さいヘリウム（4.0）やネオン（20）は空気に浮きますが、29より大きいアルゴン（40）は沈む、というわけです。

今日の復習

Ｑ：希ガスがほとんど反応しないわけを、もう一度教えてください。

Ａ：中の図は、希ガスの電子配置です。
希ガスは、電子配置がとても安定しているので、他の物質と電子のやりとりをしません。
つまり化学反応をしないのです。だから化合物もつくりません。