物質を構成する原子の内部構造と化学結合1


授業内容の概略

  1. 導入(10分)
     
    1. 化学とはどんな学問か(板書)
      1. 物質の基本構成粒子→原子
      2. 異種・同種の原子が複数個互いに結合したもの→分子
      3. 化学→物質の性質・構造・物質相互の間の化学反応を研究対象とする学問
        原子について知らなければ,何も理解できない!
         
    2. 本日の内容(OHP)
      1. 原子の構造
        1. 原子の構造
          1. 原子を構成している粒子
            1. サイズ
            2. 質量
        2. 原子核
          1. 原子の大部分の質量
          2. 原子全体に占める体積は大変小さい
            原子の中はスカスカ
          3. 我々の生活と原子核
            原子力発電:利点とその問題点
        3. 電子
          1. 周期表と電子殻
            1. 原子の中の電子
            2. 物質の特徴・性質は最外殻の電子数が決める
          2. 周期的に変化する物質の性質・特徴
              
  2. 原子の構造(70分)
      
    1. 原子の構造に関する確認テストについて
      1. 回答例・誤答の紹介(OHP)
        1. 正解:14(ほぼ自然科学系のみ)   
          正解率:30%!(昨年は57%が正解)
        2. 正しくないが部分的に近いところアリ:11
        3. 白紙・不正解・質問と不整合:21
      2. 中学校理科教科書(OHP)
        「原子はそれ以上分割できない」と答えている学生が何人かいるが,これは正しくない。
        中学校理科で学ぶドルトンの原子説(1800年代前半)で知識が止まっている。
          
    2. 原子の国のトムキンス(OHP)
      ジョージガモフが書いた原子の中を探検する小説の中の原子の惑星模型図
        
    3. 原子の構造
        
      1. 原子の構造(板書・教科書付録1)
          
        1. 質量
          1. 原子核→陽子:プラス電荷,1.67×10-27 kg 中性子:電気的に中性,1.67×10-27 kg
            陽子数は同じだが中性子数が違う原子→同位体
            水素H<陽子1・中性子無し>
            重水素D<陽子1・中性子1>
            三重水素T<陽子1・中性子2>
          2. 電子:マイナス電荷,9.11×10-31 kg 陽子・中性子に比べて4桁も小さい(1/1840の質量)
               
        2. サイズについて質問
          1. 1cmに原子は何個ならぶ?(質問・3択)(OHP)
            1万個(×)→104
            1億個(○)→108
            1兆個(×)→1012
            1. 原子半径→10-8cm = 10-10m=1Åくらい
          2. 原子の大きさと他のものの大きさの比較(OHP)
          3. 原子の大きさと原子核の大きさの関係→学生に質問
            野球場とゴルフボール(OHP) ○10万倍
            1. 原子核の半径:10-13cm以下
                 
        3. 物質による原子核の質量の違い:銅キューブとアルミキューブの重さ比べ(実験)
          8cm3銅キューブ→71.95g 8cm3アルミキューブ→21.46g 
          8cm3キューブについての質量比→Cu/Al = 3.4
          モル質量:銅→63.55 g / mol アルミ→26.95 g / mol 
          モル質量の比→Cu/Al = 2.4
             
          1. 陽子+中性子の数の違いと原子半径の違いが効いている(銅の方が原子核が重く,さらに沢山原子が詰まっている)(OHP)
            金属結晶格子形:Cu, Alは共に面心立方格子
            原子半径:Cu→1.28Å Al→1.43Å 
            8cm3中の原子数:銅→8 cm3x0.74/{(4/3)π(1.28Å)3} 
                     アルミ→8 cm3x0.74/{(4/3)π(1.43Å)3}
            8cm3中の原子数の比 (Cu/Al)→  
             (1.43Å)3/(1.28Å)3 = 2.92 / 2.10 = 1.4
            モル質量の比×8cm3中の原子数の比→
             2.4×1.4=3.4 ←8cm3キューブについての質量比に等しい!
                
      2. 原子核
            
        1. 「原子核が大変重く」「占めている体積が大変小さい」ことをどうやって実験的に確かめたのか
          1. ラザフォードα粒子の散乱実験(OHP)
            1. 原子の中はスカスカだ!
              金箔にα粒子(+電荷粒子)を打ち込むと大部分はそのまま通過したが,
              少数はやや経路を曲げられ,ごく少数は正面衝突してまっすぐ戻ってきた
            2. 原子中の極小さな領域に原子の大部分の質量が集中している
                   
        2. 原子核と我々の生活との関わり
          1. 核分裂 →原子力発電・放射能(教科書32・OHP)
            235U + n → 139Ba + 94Kr + 3n
            生成物はこの後も放射線(γ線・β線)を出しながら壊変していく
            このままでは爆発→原子力発電では中性子を吸収する物質を使用:制御棒
            原子力発電は軽水炉にとどめ,高速増殖炉について興味あるひとは教科書を参考に自習
            核融合は簡単に触れるだけ
            1. 放射線の種類と生体への影響
              α線:高速He原子核の流れ β線:高速電子の流れ γ線:電磁波
              生体への影響は教科書p102~
                   
      3. 電子
             
        1. 電子の存在 →電子がマイナス電荷を帯びていることを中学校で初めてどうやって学んだ?(質問)
          1. トムソンの陰極線(OHP)
            陰極線:直進する・電場で曲げられる・磁場で曲げられる
        2. 周期表と電子殻
          1. 周期表
            原子番号=陽子数 族→最外殻の電子数で整理 周期→殻で整理
            1. 電子殻について復習(OHP)
              最大電子収容数 K殻→2 L殻→8 M殻→18 N殻→32
            2. 最外殻の電子数は原子の性質や反応性にとって重要
            3. 希ガスと同じ電子配置は安定! →化学的に安定で反応しにくい(板書)
              Na →Na++e- Cl + e-→ Cl- (希ガスの電子配置になろうとする)
              演示実験 2Na +2 H2O → 2Na+ + H2 +2OH-
          2. 周期的に変化する物質の性質・特徴(OHP)
            原子半径・イオン化エネルギー
            同じ周期では,原子番号の増加と共に原子半径は小さくなり,イオン化エネルギーは大きくなる傾向あり
                  
  3. まとめ(5分)
         
  4. 確認課題(5分)

授業後の学生の感想から


授業後の反省


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