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第２回　原子と元素について

配付プリント等

• 出席確認（以後毎回確認）：出席状況が非常に悪い場合は評価に反映します。
  ※欠席する場合は、メールで連絡してください。
• 内容：（１）原子と元素について。
• 配布プリント：２種（およびファイル１冊）：
  １）北野（1992）による『化学の目で見る地球の環境−空・水・土−』の『第１章　序論』と『第２章　自然をみつめる化学の目−物質の単位、原子』（1-22p）。
  ２）『元素とは』のページの『電子』に部分（電子軌道）。表裏２頁１枚。
• 紹介した参考図書：
  �@北野　康（1992）：化学の目で見る地球の環境−空・水・土−．（この本の改訂版が2006年に出版されています。例えば）

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• 元素全般については『元素とは』のページを参照。
• 元素各論は『元素一覧』のページを参照。
• ※インターネット上で調べたいときは、まずフリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』で検索すると便利です。ここでは、他言語での説明も見ることができます。また、参考資料についても教えてくれます。
  　今回は、『元素』および『原子』ならびに『Category:元素』および『Category:原子』のページから始めて、さらにこれらのページのリンク先へと移り、関係する内容を見てみてください。
  ■Category:質量（Category:Mass）／質量（Mass）／質量の比較（Orders of magnitude (mass)）／原子量（Atomic mass）／統一原子質量単位（Atomic mass unit）／質量数（Mass number）／モル（Mole (unit)）／アボガドロ定数（Avogadro constant）／
  ■Category:原子（Category:Atoms）／原子（Atom）／原子模型（Atomic theory）／原子論（Atomism）／原子軌道（Atomic orbital）／原子番号（Atomic number）／Category:電子（Category:Electron）／電子（Electron）／電子配置（Electron configuration）／陽子（Proton）／Category:中性子（Category:Neutron）／中性子（Neutron）／核子（Nucleon）／
  ■Category:元素（Category:Chemical elements）／元素（Chemical element）／元素の系統名（Systematic element name）／元素の一覧（List of elements by atomic number）／元素の分類（Group (periodic table)）／ドミトリ・メンデレーエフ（Dmitri Mendeleev）／Category:周期表（Category:Periodic table）／周期表（Periodic table）／元素の周期（Period (periodic table)）／元素の族（Group (periodic table)）／化学元素発見の年表（Timeline of chemical elements discoveries）／
  ■Category:同位体（Category:Isotopes）／同位体（Isotope）／同位体の一覧（Table of nuclides (combined)、Table of nuclides (segmented, narrow)）／核種（Nuclide）／同重体／
• 電子配置についてはこちらを参照。

参考

【元素の周期表（periodic table）】
　天然に存在する元素（element）は、原子番号（atomic number）１番の水素（H、hydrogen）から９２番のウラニウム（U、uranium）の９２種類と考えてよい（残りは人工的な放射性元素）。ただし、これらから放射性元素〔radioactive element：放射性同位体（radionuclide、radioactive isotope）のみからなる元素〕１１種類を差し引くと８１種類となり、性質が酷似するランタノイド（lanthanoid）１５元素を１元素とみなすと６８元素となる。

• 元素の周期表

  族＼周期

  Ia

  IIa

  IIIa

  IVa

  Va

  VIa

  VIIa

  VIII

  Ib

  IIb

  IIIb

  IVb

  Vb

  VIb

  VIIb

  0

  1

  1 H

  2 He

  2

  3 Li

  4 Be

  5 B

  6 C

  7 N

  8 O

  9 F

  10 Ne

  3

  11 Na

  12 Mg

  13 Al

  14 Si

  15 P

  16 S

  17 Cl

  18 Ar

  4

  19 K

  20 Ca

  21 Sc

  22 Ti

  23 V

  24 Cr

  25 Mn

  26 Fe

  27 Co

  28 Ni

  29 Cu

  30 Zn

  31 Ga

  32 Ge

  33 As

  34 Se

  35 Br

  36 Kr

  5

  37 Rb

  38 Sr

  39 Y

  40 Zr

  41 Nb

  42 Mo

  43 Tc

  44 Ru

  45 Rh

  46 Pd

  47 Ag

  48 Cd

  49 In

  50 Sn

  51 Sb

  52 Te

  53 I

  54 Xe

  6

  55 Cs

  56 Ba

  *

  72 Hf

  73 Ta

  74 W

  75 Re

  76 Os

  77 Ir

  78 Pt

  79 Au

  80 Hg

  81 Tl

  82 Pb

  83 Bi

  84 Po

  85 At

  86 Rn

  7

  87 Fr

  88 Ra

  **

  104 Rf

  105 Db

  106 Sg

  107 Bh

  108 Hs

  109 Mt

  110 Ds

  111 Rg

  112 Uub

  113 Uut

  114 Uuq

  115 Uup

  116 Uuh

  117 Uus

  118 Uuo

  
  

  *ランタノイド （6IIIa） Lanthanoid

  57 La

  58 Ce

  59 Pr

  60 Nd

  61 Pm

  62 Sm

  63 Eu

  64 Gd

  65 Tb

  66 Dy

  67 Ho

  68 Er

  69 Tm

  70 Yb

  71 Lu

  **アクチノイド （7IIIa） Actinoid

  89 Ac

  90 Th

  91 Pa

  92 U

  93 Np

  94 Pu

  95 Am

  96 Cm

  97 Bk

  98 Cf

  99 Es

  100 Fm

  101 Md

  102 No

  103 Lr

  
  

  放射性同位体のみ

【大陸地殻の元素組成】
　米国の地球化学者（geochemist）であったクラーク（Frank Wigglesworth Clarke、1847 - 1931）が地表付近の元素組成（クラーク数）を発表して以来、地殻（Earth's crust）の化学組成（chemical composition：元素組成あるいは酸化物とした組成）が公表されてきた。古くは、地殻全体とされてきたが、近年では大陸地殻（continental crust）と海洋地殻（oceanic crust）を区別し、さらに上部と下部を区別して見積られていることが多い。特に明記されていない場合は、大陸地殻の上部（あるいは表層部）のものと判断してよい。

• 西村（1991）による〔『環境化学』（13p）から〕
  　上位８種類で９８重量％を超える。
  

  表1・4　地殻の元素組成（ppm）

  濃度の順	元素	濃度	濃度の順	元素	濃度
  1	酸素（O）	466,000	40	サマリウム（Sm）	6.0
  2	ケイ素（Si）	277,200	41	ガドリニウム（Gd）	5.4
  3	アルミニウム（Al）	81,300	42	イッテルビウム（Yb）	3.4
  4	鉄（Fe）	50,000	43	セシウム（Cs）	3
  5	カルシウム（Ca）	36,300	44	ジスプロシウム（Dy）	3.0
  6	ナトリウム（Na）	28,300	45	ハフニウム（Hf）	3
  7	カリウム（K）	25,900	46	ベリリウム（Be）	2.8
  8	マグネシウム（Mg）	20,900	47	エルビウム（Er）	2.8
  9	チタン（Ti）	4,400	48	臭素（Br）	2.5
  10	水素（H）	1,400	49	スズ（Sn）	2
  11	リン（P）	1,050	50	タンタル（Ta）	2
  12	マンガン（Mn）	950	51	ヒ素（As）	1.8
  13	フッ素（F）	625	52	ウラン（U）	1.8
  14	バリウム（Ba）	425	53	ゲルマニウム（Ge）	1.5
  15	ストロンチウム（Sｒ）	375	54	モリブデン（Mo）	1.5
  16	硫黄（S）	260	55	タングステン（W）	1.5
  17	炭素（C）	200	56	ユウロビウム（Eu）	1.2
  18	ジルコニウム（Zr）	165	57	ホルミウム（Ho）	1.2
  19	バナジウム（V）	135	58	テルビウム（Tb）	0.9
  20	塩素（Cl）	130	59	ヨウ素（I）	0.5
  21	クロム（Cr）	100	60	ツリウム（Tm）	0.5
  22	ルビジウム（Rb）	90	61	ルテチウム（Lu）	0.5
  23	ニッケル（Ni）	75	62	タリウム（Tl）	0.5
  24	亜鉛（Zn）	70	63	カドミウム（Cd）	0.2
  25	セリウム（Ce）	60	64	アンチモン（Sb）	0.2
  26	銅（Cu）	55	65	ビスマス（Bi）	0.2
  27	イットリウム（Y）	33	66	インジウム（In）	0.1
  28	ランタン（La）	30	67	水銀（Hg）	0.08
  29	ネオジム（Nd）	28	68	銀（Ag）	0.07
  30	コバルト（Co）	25	69	セレン（Se）	0.05
  31	スカンジウム（Sc）	22	70	ルテニウム（Ru）	0.01
  32	リチウム（Li）	20	71	パラジウム（Pd）	0.01
  33	窒素（N）	20	72	テルル（Te）	0.01
  34	ニオブ（Nb）	20	73	白金（Pt）	0.01
  35	ガリウム（Ga）	15	74	ロジウム（Rh）	0.005
  36	鉛（Pb）	13	75	オスミウム（Os）	0.005
  37	ホウ素（B）	10	76	金（Au）	0.004
  38	プラセオジム（Pr）	8.2	77	レニウム（Re）	0.001
  39	トリウム（Th）	7.2	78	イリジウム（Ir）	0.001

• Wedepohl(1995)による〔『The composition of the continental crust』（1219-1221p）から〕
  　UC/LCの大きな値の元素は上部に多く〔例えば、炭素（C）など〕、逆に小さな値の元素は下部に多い〔例えば、マグネシウム（Mg）など〕。
  

  表1　大陸上部地殻（UC）と大陸下部地殻（LC）の元素濃度（ppm）

  	UC	LC	UC/LC		UC	LC	UC/LC		UC	LC	UC/LC
  Si	303480	271330	1.1	Ce	65.7	53.1	1.2	Yb	1.5	2.5	0.60
  Al	77440	82120	0.94	Ni	18.6	99	0.19	U	2.5	0.93	2.7
  Fe	30890	57060	0.54	Nd	25.9	28.1	0.92	Br	1.6	0.28	5.7
  Ca	29450	48600	0.61	La	32.3	26.8	1.2	Ge	1.4	(1.4)	1.0
  Na	25670	21200	1.2	Cu	14.3	37.4	0.38	Be	3.1	1.7	1.8
  Mg	13510	31550	0.43	Co	11.6	38	0.31	Mo	1.4	0.6	2.3
  K	28650	13140	2.2	Y	20.7	27.2	0.76	Eu	0.95	1.6	0.59
  Ti	3117	5010	0.62	Nb	26	11.3	2.3	Ta	1.5	0.84	1.8
  C	3240	588	5.5	Li	22	13	1.7	I	1.4	0.14	10
  P	665	872	0.75	Sc	7	25.3	0.28	Ho	0.62	0.99	0.63
  Mn	527	909	0.57	Ga	14	17	0.82	W	1.4	0.6	2.3
  S	953	408	2.3	Pb	17	12.5	1.4	Tb	0.50	0.81	0.62
  Ba	668	568	1.2	B	17	5	3.4	Tl	0.75	0.26	2.9
  F	611	429	1.4	Th	10.3	6.6	1.6	Lu	0.27	0.43	0.63
  Cl	640	278	2.3	Pr	6.3	7.4	0.85	Sb	0.31	0.30	1.0
  Sr	316	352	0.90	Sm	4.7	6.0	0.78	Cd	0.102	0.101	1.0
  Zr	237	165	1.4	Hf	5.8	4.0	1.5	Ag	0.055	0.080	0.69
  Cr	35	228	0.15	Gd	2.8	5.4	0.52	Bi	0.123	0.037	3.3
  V	53	149	0.36	Dy	2.9	4.7	0.62	Se	0.083	0.170	0.47
  Rb	110	41	2.7	Sn	2.5	2.1	1.2	In	0.061	0.052	1.2
  Zn	52	79	0.66	Cs	5.8	0.8	7.3	Hg	0.056	0.021	2.7
  N	83	34	2.4	As	2.0	1.3	1.5

• 東邦大学理学部の高橋　正氏のホームページの中の『周期表・元素存在度の図表』から
  　縦軸は対数〔常用対数（common logarithm）：１目盛が１０倍〕表示であるので注意。
  
• 酸化物表示：松尾（監修）（1989）による〔『地球化学』（33,34p）から〕
  　陽イオン（cation）を作る元素に、電荷（electric charge）に応じて陰イオン（anion）である酸素（２−）を結合させ、酸化物（oxide）として表している。地殻を構成する鉱物の化学組成と関連付けるためには、このような表示が適している。
  　当然、地殻でもっとも多い酸素（oxygen）と二番目のケイ素（silicon）の組合せである二酸化ケイ素（SiO2、シリカ、silica）成分が最も多い。
  

  表2.1　大陸地殻の化学組成

  （％）	1	2	3	4
  SiO2	61.9	61.9	64.8	57.3
  TiO2	1.1	0.8	0.51	0.9
  Al2O3	16.7	15.6	16.1	15.9
  FeO	6.9	6.2	4.8	9.1
  MgO	3.5	3.1	2.7	5.3
  CaO	3.4	5.7	4.6	7.4
  Na2O	2.2	3.1	4.4	3.1
  K2O	4.2	2.9	2.0	1.1
  1：地表岩石の平均に近いものとして氷河粘土をとり、77個の異なった試料の分析値より推定 2：カコウ岩質岩石、玄武岩質岩石および堆積岩の占める地殻の厚さ、それぞれの平均化学組成などに基づいて推定 3：マントルからトーナル岩的なものが形成されるという大陸地殻生成モデルに立ち、地殻を3層に分けて、それぞれの厚さ、構成岩石の平均化学組成より推定 4：カコウ閃緑岩を主体とする上部地殻は、地殻自体の分化により生じたとのモデルに立ち、地殻熱流量などを制約条件として推定