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原子と分子。知っているようで知らない!違いを考えよう

2018.4.12

「原子」や「分子」という単語はよく耳にしていても、その違いをきちんと理解しているでしょうか?

とにかく小さいもの。この世にあるすべての物質を作っているものというイメージでは共通していますが、原子と分子はどんな関りにあるのでしょうか。

それぞれの関係や、原子と分子の考え方を知らべてみました。その極小の世界には何が潜んでいるのでしょうか。

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原子と分子の違いは?原子は単体で存在し、分子は性質を示す

私たち一人一人は「人間」という単体です。

しかし、その構造をどんどん追っていくと小さな細胞が集まって「人間」を構成しています。

1つの細胞だけでは「人間」であることはできません。

こうして、ある物質をどんどん細かく観察していったとき、細胞のような最小の「粒」を原子と呼びます。

しかし、この原子だけでは物質としての「性質」はありません。

たとえば水素原子が一つだけあっても「水素」の性質を示さないのです。

酸素原子も一つのだけでは「酸素」の性質にはなりません。

いくつかの原子が結びついて初めて「物質」として、その性質が見えるようになります。
この状態を「分子」と言います。

水素原子は水素の性質を持ちませんが、水素分子になると水素の性質を発揮するようになります。

水の場合は酸素原子と水素原子が、二酸化炭素は炭素原子と酸素原子が、といったように複数の種類の原子が結びついてできている分子もたくさんあります。

原子は物質の「素材」でありくっついて分子を作るという違いがある

原子

昔の科学者たちは、世界にある物すべては少ない種類の物質がさまざまに組み合わされることでできているのではないかと考えました。

その「素材」となる物質が金や銀、鉄や銅、水素や酸素などであると解明して来たのです。

理科の実験でも行われるように、加熱や電気によって水を酸素と水素に分離することができます。

しかし、このような化学的な手法では、水素と酸素をそれ以上分解することはできません。

その分子をさらに細かく分割していき、最後に行きつく「それ以上分けられないもの」を原子と呼びました。

分子

ほとんどの原子は単体だと安定して存在することができません。同種の原子や異種の原子が、いくつか結びつくことで、安定して存在するようになります。

この状態が「分子」です。

硫黄は8個の原子が結びついています。

逆にヘリウムは単体でも安定して存在できることから「単原子分子」と呼ばれています。

原子と分子の違いはブロックでイメージするとわかりやすい

今、あなたの周りを見回してみてください。

建物や壁。木々や草花。走っている車。自分が持っているカバンに着ている服に…。

自分自身の体も、まったく別のものですが、全ては最小の部品を組み合わせてできたもの。

1つの部品をさらに細分化し、更に細分化しと繰り返していった結果が分子です。

子供の頃に遊んだレゴブロックをイメージしてください。

一つ一つは小さいレゴブロックを繋げ合わせ、積み上げると建物や動物など多種多様なものを作り出すことができます。

化学の世界もこのレゴブロックに似ていて、原子というパーツは「元素」というさまざまな種類があり、現在は118種類が見つかっています。

もし、私たちが元素を自由に組み立てることができたなら、たった118種類の元素からなんでも作り上げることができるということになるのです。

原子はもともと物質の最小単位と考えられていた

元素は英語では「element」と書き、その意味は「物質を構成する基本要素」ということ。

「もっと小さいクオークやニュートリノなどの『素粒子』もあるはずでは?」と思った人もいるでしょう。

化学の世界では「(薬品を加えて煮る・焼くなどの)化学的手段で、それ以上分けられない基本要素」と定義があり、素粒子レベルまで分解しないものを基本要素とします。

素粒子などと区別するために「化学元素」とも言います。

水を酸素と水素に分解することはできても、化学の手法ではそれ以上の分解ができません。

ですから、化学的に水は「酸素と水素の化合物」なのです。

「酸素」は水素よりも重く、鉄を酸化させて錆びつかせる性質があります。
「水素」にはそのような性質がないので鉄は錆びません。

このように明らかに違う性質を持ったものが結びついて化合物を形成しています。

原子と分子の大きさのスケールを想像してみよう

原子や分子は通常、その一つ一つを見ることはできない

顕微鏡でも視認することができないほど小さなスケールの物です。

原子1個の大きさや、直径がおよそ1億分の1㎝メートル。
重さは「1gの1兆分の1」をさらに「1千億分の1」と言いますから、想像もできないほど小さいものです。

分子1個の大きさも、原子とさほど違いませんが、なんとか存在がわかる程度の大きさのものもあります。

個々の原子や分子は、これほど小さいものなので私たちの周りにある物に含まれる数は膨大です。

一例をあげると、コップ一杯(160ml)の水には、6兆×1兆倍の水分子が入っています。

そのコップ一杯の水を海にこぼし、もう一度くみ上げたとすると計算上は元の水分子が800個程度含まれることになります。

逆に、コップに入った水分子の一つ一つが、浜辺の砂粒ほどの大きさがあったとしたら、地球の表面を1㎝の厚みで覆うほどの量になってしまいます。

この記事の編集者

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