原子はどうやって安定する!?

　原子と言えば、ノーベル物理学賞を受賞したアメリカのリチャード・ファインマンの言葉が思い出されます。ファインマンは、量子電磁力学の発展に貢献したほか、マンハッタン計画にも参加した稀代の物理学者です。その一方では、ユーモラスな人物として知られ、いたずら好きの一面もありました。そのファインマンが、ある日、「もし何らかの災害により地球上からすべての情報が消えるとき、最小の言葉で最大のメッセージを残すとしたら」と質問されたとき、次のように答えました。
「それは、原子だろう。なぜなら、物質や宇宙はすべて原子によって成り立っている」

　物質を構成する最小の粒子である原子は、当然のことながら、人間の目でとらえることはできません。その構造は、中央にプラスの電荷を帯びた原子核があり、その中にはプラスの電荷を帯びる陽子と電荷を帯びない中性子があります。原子核の周囲ではマイナスの電荷を帯びた電子が回り、殻（電子殻）を形成しています。殻や電子の数は元素によって異なります。この原子ですが、経験則から、一番外側の殻に存在する電子の数が4個または8個のときに安定するとされています。この経験則をオクテット則と言います。

足りない電子を補い合う＝二重結合

　これを踏まえて、酸素の原子構造を考察しました。酸素の原子番号は8ですから8個の電子を持ち、殻は2つです。電子は、原子核の近くを回る殻（K殻）と遠くを回る殻（L殻）のいずれかの軌道を回りますが、K殻には2個しか回れないため、必然的にK殻に2個、L殻に6個となります。ここでオクテット則に照らし合わせると、酸素原子は単体だと不安定な存在だと言えます。では、どうするかと言えば、酸素原子が2つ合わさり、それぞれ相手の電子2個を共有します（二重結合、共有結合）。つまり、酸素分子のO2になって存在します。
　同様に水の原子構造を調べると、水分子の場合、酸素原子と結合するのは水素となります。水素の原子番号は1ですから、電子は1個です。つまり、電子が2個足りない酸素原子と結合するには2つの水素原子が必要で、H2Oとなります。このとき、水分子が最も安定する水素原子と酸素原子の結合角が104.5°のときだったのです。

                                                                                        ◆次回更新は12月26日の予定です