今回は化学シリーズ第一章として、「化学とは何か」を説明します。「化学」は原子や分子を取り扱う学問、「科学」は生物、物理、化学などの学問全般を指します。言語学者でない限り「科学=何かを論理的に研究する学問全部」と考えて問題ありません。論理性(≒科学性)を伴うのならば、哲学や宗教でさえ「科学的」ですので。話が脱線する前に「化学」の説明に移りましょう。今回は『化学とは?ー原子と元素の違いは?原子番号の決め方は?』として、化学の基礎をなす「原子」と「分子」を解説します。化学とは?「化学」とは、先に述べた通り「原子と分子を研究する学問」です。身近に感じていただくために、自然界の構造の説明から始めましょう。自然界で最も大きい存在は何だと思いますか?さすがに問題の意図も分かりませんよね。最上位の階層は「宇宙」です。宇宙が最大で、そこから徐々に小さな階層(物質)に分解されていきます。宇宙の中には無数の「銀河」がありますね。銀河の中には、太陽のような恒星が無数にあり、さらに恒星を周回する惑星があります。地球という惑星では、その中に多様な生物が生息しています。それら生物は一般に細胞によって形成されています。細胞」といった具合です。ここまできてやっと「分子」の階層です。細胞に限った話ではありませんが、この世のあらゆる「物質」は分子の集合体として成立しています。「物質」である以上、例外はありえません。いった「分子」を構成しているのが「原子」です。原子は原子核と電子からなっていて、原子核は中性子と陽子からなります。中性子と陽子はクォークからなります。原子核(=中性子と陽子)+電子」となります。化学は分子から下の小さな世界を対象とした学問だということです。対照的なのは「天文学」で、素粒子を扱う物理学(量子論)とは近しい学問です。続いては具体的に原子と分子の話へ移行しましょう。原子は分子の構成要素で、物質の基本単位です。中心には「原子核」があり、その原子核の周りでは負の電荷をもった「電子」が運動しています。運動といっても無秩序に飛び回っているわけではなくて、きちんと決まった軌道上を周回しています。原子核の中心にはさらに、正の電荷をもった「陽子」、電荷をもたない「中性子」があります。このとき電子と陽子の数は同じで、実はこの陽子(電子)の数が「周期表」の番号になっています。電子数=陽子数=原子番号となっており、基本的には電子(陽子)が原子番号の決め方のもとになっています。陽子1個なら水素、2個ならヘリウム、3個ならリチウム......という感じです。このとき、陽子(電子)の数は同じでも中性子の数だけ違う場合もあって、その原子同士を「同位体」と呼びます。中性子が異なるだけなので、化学的な性質自体は変わりません。ちなみに、2017年1月現在で原子は118種類正式に認められていますが、これはあくまで合成(発見)できた種類で、今後追記されていくと考えられます。誤解されがちですが、周期表の93番以降の元素+αは人工的に合成されたものです。加速器を使って衝突させることで人工的に合成されています(30+82=112)。そのため、周期表の元素すべてが自然界に存在しているわけではないことは理解しておいてください。実際には、加速器内で衝突させ合成した新元素はすぐに崩壊し観測できないため、観測方法に抜本的革新が必要だと考えられます。おととし(2015年)には日本初の113番元素(ニホニウム)が正式認定されましたね。欧米諸国以外では初の快挙で、今後も日本の各種研究所には頑張っていただきたいところです。原子と元素の違いここで「原子と元素の違い」をはっきりさせておきましょう。大学生の中には「原子」と「元素」を混同している方が多くいます。論文を書く際などにはこれら2つの違いを明確に認識しておく必要があります。原子は「実体のある粒子」で、元素は「性質を表す概念」です。私たち人間に例えると、原子が「佐藤さんという個人」で元素が「ヒトという概念」に相当します。現実世界で確かに存在しているものが「原子」、性質や特徴でくくった抽象的な概念が「元素」です。化学的な性質は変わらないので「元素」としては一緒です。以上、簡単に説明しましたが「原子と元素の違い」は一度覚えてしまえばもう忘れないでしょう。最後に原子の集合体である「分子」の説明をしていきましょう。原子が結合した粒子を「分子」と呼びます。水(H2O)は、2個の水素原子(H)と1個の酸素原子(O)が結合した分子です。原子が結合して分子を構成するための「化学結合」は”共有結合”、”イオン結合”、”金属結合”の3つに大きく分類できます。3つの化学結合1、共有結合2、イオン結合3、金属結合1つめの「共有結合」は、不安定な原子を安定させるための結合です。原子の説明でも述べましたが、原子はきちんと決まった軌道上を運動しています。その軌道はいくつかあるのですが、軌道ごとに電子がどれだけの数まで周回できるか決まっています。内側の軌道は最大2個まで、その1つ外側の軌道が8個まで、その次が18個...という個数制限です。内側に3個の電子が入ろうとしても、1個はじかれて1つ外の軌道へと押しやられてしまいます。逆に一番外側の軌道で回っていたとしても、内側に空きがあれば基本的には内側の軌道に入ろうとします。『周期表』の記事で詳しく説明しますが、周期表の中央部分(3~11族)の遷移元素は例外です。水素原子の場合では、原子1個よりも軌道の最大である2個のほうが安定します。そのため、もっと電子が欲しいという別の原子や分子と結合して、軌道いっぱいの原子を獲得しようと動きます。この不安定な原子を安定させるための結合が「共有結合」です。2つ目の「イオン結合」は、プラスとマイナスの電気的な引っ張り合いによって生じる結合です。電子1個を放出したナトリウム原子(Na+:負の電荷をもつ電子が1個少ないのでプラスになる)と電子を1個取り込んだ塩素原子(Cl-:電子が1個多いのでマイナス)があれば、プラスとマイナスで引きあって、塩化ナトリウム(NaCl)ができます。このような電気的要因に基づく結合が「イオン結合」です。最後の「金属結合」は、名前の通り金属同士の結合です。私たちが目視できる「金(きん)」などの金属固体は、金原子が多数「金属結合」した物質ですね。以上、『化学とは?ー原子と元素の違いは?原子番号の決め方は?』でした!いかがだったでしょうか?教科書的な説明になってしまい、少し退屈だったかもしれません。そもそも化学の記事に需要があるのか不明ですが、次回からは『周期表』の説明に移ります。体力が持てば全118種の元素をすべて解説するつもりなのですが、20番あたりで挫折しそうな予感がします...。