元素周期表 · PeriodicLab

3D の元素周期表。118 種類の元素が柱となって立ち上がり、原子半径・電気陰性度・イオン化エネルギーの周期律を示す。温度をドラッグして状態の変化を見たり、元素発見の歴史を再生したり、長周期表・らせん・同心円の間で変形させたりできる。どの元素を開いても、原子の構造と単体の姿が見られる。

教科：化学 · 対象：中学校、高校 · 学習内容：周期律、電子殻、状態と温度、元素発見の歴史

章の内容

118 種類の元素は原子番号（核電荷）の小さい順に、7 つの行と 18 の列に並ぶ。行を周期といい、同じ周期の原子は電子殻の数が同じ。列を族といい、同じ族の原子は最外殻電子の数が同じで、化学的性質が似ている。

色は元素の種類を表す。右の凡例で種類をクリックし、金属・非金属・貴ガスが表のどこにあるか見てみよう。どのブロックをクリックしても、その元素のクローズアップが開く。

同心円の配置に切り替えよう。n 番目の輪が第 n 周期で、その周期の原子はすべて n 個の電子殻をもつ。輪のマス数は順に 2、8、8、18、18、32、32 で、各周期に含まれる元素の数そのものだ。

ナトリウムのクローズアップを開こう。ナトリウム原子は電子殻が 3 つで、電子配置は 2、8、1。最外殻の電子は 1 個だけで失われやすいので、ナトリウムはとても反応しやすい。同じ族のカリウムも見てみよう。

ブロックが柱になり、高さが原子半径を表す。同じ周期では左から右へ、電子殻の数は同じまま核電荷が増えるので、原子核が外側の電子を強く引きつけ、半径はしだいに小さくなる。同じ族では上から下へ電子殻が増え、半径はしだいに大きくなる。だから左下のセシウムとフランシウムが最も大きい。

次に電気陰性度に切り替えよう。化合物の中で原子が電子を引きつける強さを表し、傾向はちょうど逆で、右上ほど大きく、フッ素が最大（3.98）。貴ガスには通常値をつけない。

第一イオン化エネルギーは、気体の原子から電子を 1 個取り去るのに必要な最小のエネルギーだ。右の折れ線グラフを見よう。どの周期もアルカリ金属の谷から貴ガスの山へ登り、ノコギリの歯のように並ぶ。これが周期律の最もわかりやすい姿だ。

第 2 周期をよく見ると、小さな折れ目が 2 か所ある。Be は B より高く、N は O より高い。Be は 2s 軌道が満たされ、N は 2p 軌道が半分満たされていて比較的安定なので、電子を取り去りにくい。

温度をドラッグして、常圧で各単体が固体・液体・気体のどれになるか見よう。室温（298 K）で液体なのは臭素と水銀だけで、気体は 11 種類、すべて非金属だ。

10 K まで下げるとヘリウム以外はすべて固まる。303 K まで上げるとガリウムとセシウムも融ける。ガリウムは手のひらでも融ける。3000 K を超えると金属は白熱して光る。タングステンの融点は 3695 K で、金属の中で最も高い。

古代に知られていた元素は十数種類だけだった。再生ボタンを押し、発見された年の順に元素がひとつずつ灯るのを見よう。18 世紀の化学分析、19 世紀初めの電気分解、1860 年代の分光分析と、新しい方法が生まれるたびに新しい元素がまとまって見つかった。

1869 年にメンデレーエフが周期表をつくったとき、知られていた元素は 63 種類だけだった。彼は大胆にも未知の元素のために空欄を残し、その性質を予言した。のちに発見されたガリウム、スカンジウム、ゲルマニウムが予言の正しさを証明した。

周期表の描き方はひとつではない。らせん周期表は元素を 1 本の連続したらせんに並べ、ひと回りが 1 周期になる。同じ族の元素は同じ「スポーク」に並び、元素の性質が原子番号とともに周期的にくり返すことを強調する。

族をひとつ選んで、同じ族の元素を光の線で結ぼう。そして長周期表、らせん、同心円を切り替えて、線がどう変わるか見てみよう。