令和5年度 I-4-1

解説

この問題で問われていること

⁴⁰Ca・⁴⁰Ar・³⁵Cl・³⁷Clという4種類の原子について、中性子の数・電子の数・同位体や同素体の関係に関する5つの記述のうち、適切なものを選ぶ問題。

解き方

① 左上の数=質量数(陽子+中性子)、左下=原子番号(陽子数=中性の原子の電子数)。同位体=同じ元素で中性子数が違う、同素体=同じ元素の単体で構造が違う(黒鉛とダイヤモンドなど)
② ³⁵Clと³⁷Clは同じ原子番号17なので電子は17個で同じ。①中性子は20と22、②18と20、④別の元素、⑤同位体であって同素体ではない
③ ③

正解が正しい理由

³⁵Clと³⁷Clはいずれも原子番号17(陽子数17)の同じ元素(塩素)であり、電荷がない状態では電子の数は陽子の数と等しく17個で共通しているため、両者の電子の数は等しい。したがって③が正しい。

各選択肢について

• ① ⁴⁰Ca(原子番号20、中性子数=40-20=20)と⁴⁰Ar(原子番号18、中性子数=40-18=22)の中性子数はそれぞれ20と22であり、等しくないため誤り。
• ② ³⁵Cl(中性子数=35-17=18)と³⁷Cl(中性子数=37-17=20)の中性子数はそれぞれ18と20であり、等しくないため誤り。
• ③ ³⁵Clと³⁷Clはいずれも原子番号17の塩素原子であり、電荷がない状態では電子の数は陽子の数(17個)と等しく共通しているため、電子の数が等しいという記述は正しく、これが正答。
• ④ ⁴⁰Caと⁴⁰Arは原子番号(陽子数)が異なる別の元素(カルシウムとアルゴン)であり、同位体とは同じ元素で中性子数(質量数)が異なるものを指すため、この2つは同位体ではなく、質量数が偶然一致する「同重体」の関係にある。したがって「互いに同位体である」という記述は誤り。
• ⑤ ³⁵Clと³⁷Clは同じ元素(塩素)で中性子数が異なる「同位体」の関係にあり、「同素体」ではない。同素体は同じ元素からなる単体で構造が異なるもの(例: 炭素における黒鉛とダイヤモンド)を指す別の概念であるため、この記述は誤り。

覚えるべきポイント

同位体(同じ原子番号・異なる質量数)、同素体(同じ元素からなる単体で構造が異なるもの)、同重体(異なる元素で質量数がたまたま一致するもの)は、似た用語だが指す対象が全く異なるため、混同しないよう注意する。