物質の構造と状態の論点｜原子・結合・同素体・三態・希薄溶液・コロイドを図と表で確認【危険物甲種】

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原子の構造と化学結合、純物質と混合物・同素体、三態、希薄溶液、コロイドの5つの論点を並べた記事です。どの論点も「どの粒子が、いくつあるか」で見分けると、用語の入替えを見抜けます。

溶解度と析出量、融解熱の計算は危険物取扱者甲種の気体・濃度・熱計算攻略｜使う式を条件から選ぶにまとめています。

原子の構造と化学結合 ── 陽子数は原子番号、塩化ナトリウムは陽イオンと陰イオンのイオン結合
- 化学結合は3種類
純物質・混合物と同素体 ── ガソリンは混合物、酸素とオゾンは同素体
- 同素体・同位体・異性体を見分ける
三態と状態変化 ── 固体から直接気体になる変化が昇華
希薄溶液の性質 ── 凝固点降下は溶質粒子の数で決まり、浸透圧は π＝cRT
- 浸透圧の計算
コロイド ── 透析ではイオンが膜を通りコロイド粒子は残る、凝析と塩析は別
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まとめ
参考文献

原子の構造と化学結合 ── 陽子数は原子番号、塩化ナトリウムは陽イオンと陰イオンのイオン結合

イオンで変わるのは電子の数だけ：質量数37・原子番号17の塩素は陽子17・中性子20で、Cl⁻では電子が17個から18個に増える。NaClはイオン結合

粒子	ある場所と電荷	数の決まり方
陽子	原子核・正	原子番号と同じ
中性子	原子核・電荷なし	質量数−原子番号
電子	原子核の周り・負	原子では陽子と同数。陰イオンは受け取った分だけ多く、陽イオンは失った分だけ少ない

陽子の数が原子番号で、陽子と中性子の数の和が質量数です。イオンになるときに変わるのは電子の数だけで、原子核の陽子・中性子は変わりません。

問われる形	○×	ポイント
原子番号17・質量数37の塩化物イオン（Cl⁻）の中身は陽子17・中性子20・電子18	○	中性子37−17＝20、電子17＋1＝18
1価の陰イオンになると、電子が1個減る	×	負の電荷を1つ得る＝電子を1個受け取る
質量数を電子の数として数える	×	電子の数は原子番号（原子のとき）
塩化ナトリウムの結晶は、原子どうしが電子対を共有して結び付く	×	Na⁺とCl⁻の静電気的な引力によるイオン結合

原子の中心には正の電荷をもつ原子核があり、その周りを負の電荷をもつ電子が取り巻いています。原子は陽子の数と電子の数が等しいので、全体では電気的に中性です。原子番号と質量数を書くときは、元素記号の左下に原子番号、左上に質量数を書きます。

化学結合は3種類

結合	何が結び付けるか	例
イオン結合	陽イオンと陰イオンの静電気的な引力。一般に金属元素と非金属元素	塩化ナトリウムNaCl
金属結合	金属の中を動き回る自由電子	ナトリウムNa、銅Cu
共有結合	2つの原子が最外殻電子を出し合い、電子対を共有する。非金属元素どうし	水素H₂、塩素Cl₂、水H₂O、ダイヤモンド

ナトリウムから塩素へ電子が移り、逆符号のNa⁺とCl⁻ができて引き合う。電子対の共有ではない
「自由電子による結合」は金属結合で、イオン結合・共有結合ではない

純物質・混合物と同素体 ── ガソリンは混合物、酸素とオゾンは同素体

単体・化合物・混合物は「1つの化学式で書けるか」で見分ける（粒の絵で入れ子にした分類マップ）

1つの化学式で書ける物が純物質（単体・化合物）、書けない物が混合物です。ガソリンは複数の炭化水素などの混合物で、沸点は一点に決まらず幅をもちます。酸素O₂とオゾンO₃は、同じ元素からなる性質の違う単体どうしで、同素体です。

問われる形	○×	ポイント
ガソリンは一定の化学式で表される純物質	×	複数の炭化水素などの混合物
ガソリンを蒸留すると、沸点が1つの純物質だけが得られる	×	蒸留は沸点の差で組成を変える操作。得られるのは沸点に幅のある留分
酸素とオゾンは、中性子の数だけが違う同位体	×	同じ元素の単体どうしで同素体。同位体は原子どうしの関係

分類	中身	例
単体	1種類の元素だけ	酸素、水素、炭素、硫黄、鉄、オゾン
化合物	2種類以上の元素が結合	水、エタノール、ベンゼン、塩化ナトリウム、二酸化炭素
混合物	2種類以上の物質が混ざっただけ	空気、水溶液、ガソリン、灯油、軽油

混合物は、蒸留やろ過などの物理的な方法で2種類以上の物質に分けられる。成分は混ざる前の性質を保つ
混合物の融点や沸点は、成分の割合によって変わる

同素体・同位体・異性体を見分ける

同素体は単体、異性体は化合物：酸素O₂とオゾンO₃は同じ元素だけで原子のつながる数が違う同素体、エタノールとジメチルエーテルは分子式がどちらもC₂H₆Oでつながり方が違う異性体

用語	何どうしか	例
同素体	同じ元素からなる、性質の違う単体どうし	酸素とオゾン、ダイヤモンドと黒鉛、赤りんと黄りん、斜方硫黄と単斜硫黄
同位体	陽子の数（原子番号）が同じで、中性子の数（質量数）が違う原子どうし	水素と重水素
異性体	分子式が同じで、構造が違う化合物どうし	エタノールとジメチルエーテル、n-ブタンとイソブタン

O₂とO₃の違いは分子をつくる原子の数と結び付き方で、原子核の中性子数の違いではありません。同素体をもつ元素は、硫黄S・炭素C・酸素O・りんPの頭文字で「SCOP（スコップ）」と覚えます。

三態と状態変化 ── 固体から直接気体になる変化が昇華

状態変化の名前は、変化の前と後の状態の組合せで決まります。固体が液体を経ずに直接気体になる変化が昇華で、ドライアイス（固体の二酸化炭素）やナフタレンが例です。気体から直接固体になる変化は凝華（昇華とも呼ぶ）です。

問われる形	○×	ポイント
ドライアイスが液体にならずに減っていく変化の名前は昇華	○	液体を経ない固体→気体
固体から直接気体になる変化を、融解や蒸発と呼ぶ	×	融解は固体→液体、蒸発は液体→気体
固体の二酸化炭素は、いったん融けてから蒸発する	×	融解と蒸発の2段階ではなく、直接気体になる

固体→液体は融解、液体→固体は凝固、液体→気体は蒸発（気化）、気体→液体は凝縮（液化）
固体→液体→気体の向き（融解・蒸発・昇華）は熱を吸収し、逆向き（凝固・凝縮・凝華）は熱を放出する
固体が液体になる温度が融点、液体が気体になる温度が沸点。水でも、圧力の低い状態では昇華が起こる

関連：熱量 ── 融解・蒸発の区間は温度一定で mL

希薄溶液の性質 ── 凝固点降下は溶質粒子の数で決まり、浸透圧は π＝cRT

凝固点降下は溶質の粒子の数で決まる：同じ0.10 mol/kgでも、電離するNaClは粒子が0.20 mol/kgで下がる幅は約2倍。浸透圧はπ＝cRT

性質	何が起こるか	何で決まるか
蒸気圧降下	不揮発性の物質を溶かすと、蒸気圧が純溶媒より下がる	溶質の分子・イオンの質量モル濃度に比例
沸点上昇	溶液の沸点が溶媒の沸点より高くなる	同上（溶質の種類には関係しない）
凝固点降下	溶液の凝固点が溶媒の凝固点より低くなる	同上（溶質の種類には関係しない）
浸透圧	半透膜をはさむと溶媒が溶液側へ移る。その流れを止める圧力	π＝cRT。モル濃度と絶対温度に比例

希薄溶液の凝固点降下・沸点上昇は、溶質の種類に関係なく、溶液中の粒子（分子・イオン）の質量モル濃度に比例します。塩化ナトリウムはNa⁺とCl⁻に電離して粒子が2倍になるので、同じ質量モル濃度なら非電解質の約2倍下がります。

問われる形	○×	ポイント
同じ質量モル濃度なら、塩化ナトリウムとグルコースの凝固点降下は同じ	×	NaClは完全電離で粒子が2倍。約2倍になる
0.10 mol/Lのグルコース水溶液を300 Kにしたときの浸透圧は約2.46 atm	○	0.10×0.082×300＝2.46 atm
グルコース（非電解質）の浸透圧にも、電離の係数2を掛ける	×	グルコースは電離しない。そのままcRT

浸透圧の計算

π＝cRT（cはモル濃度、Rは気体定数0.082 L・atm/（mol・K）、Tは絶対温度）

0.10 mol/Lのグルコース水溶液を300 Kとすると、π＝0.10×0.082×300＝2.46 atmです。電解質の溶液では、cに溶けているイオン全部の濃度を使います。

半透膜は、水などの小さい分子は通し、デンプンやタンパク質などの大きな分子は通さない
溶媒は、半透膜を通って濃度の低い側から高い側へ移る。これを浸透という
融雪剤・凍結防止剤の塩化カルシウムは、凝固点降下を利用している

コロイド ── 透析ではイオンが膜を通りコロイド粒子は残る、凝析と塩析は別

透析ではイオンが膜を通りコロイド粒子は残る：小さな粒は半透膜の袋から水へ出る。疎水コロイドは少量の電解質で凝析、親水コロイドは多量で塩析

現象・操作	何が起こるか
チンダル現象	横から強い光を当てると、粒子が光を散乱して光の通路が明るく見える
ブラウン運動	水分子が不規則に衝突し、コロイド粒子が不規則に動く
透析	半透膜でイオン・小さな分子を除く。コロイド粒子は袋の中に残る
電気泳動	直流電圧をかけると、帯電した粒子が反対符号の電極へ移る
凝析	疎水コロイドに少量の電解質を加えると、反発力を失って沈殿する
塩析	親水コロイドに多量の電解質を加えると沈殿する

コロイドは、直径およそ1 nm〜数百nmの粒子が分散した状態です。透析では小さなイオンや分子が半透膜を通り、大きいコロイド粒子は残ります。沈殿させる条件は、疎水コロイドが少量の電解質（凝析）、親水コロイドが多量の電解質（塩析）で、区別します。

問われる形	○×	ポイント
透析では、コロイド粒子が半透膜を通り、イオンは膜の内側に残る	×	逆。イオン・低分子が通り、コロイド粒子が残る
疎水コロイドも親水コロイドも、少量の電解質で同じように沈殿する	×	少量で沈殿するのは疎水コロイド（凝析）。親水コロイドは多量が要る（塩析）
電気泳動では、帯電した粒子が同じ符号の電極へ移る	×	反対符号の電極へ移る