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初心者でもわかる機械材料

初心者でもわかる機械材料3 原子の構造(陽子、中性子、電子、電子殻、イオン)

前回までの初心者でもわかる機械材料で機械材料の主な分類の説明をした。

初心者でもわかる機械材料2 機械材料の主な分類2 (有機材料、無機材料、複合材料、FRP、CFRP)

今回からは、機械材料の理論の第1弾である原子構造を説明していく。

今回の内容は、モノづくりに対して直接的に役立ちやすい知識ではなく中学、高校化学に近い内容になるが材料の基本特性である強度、靭性、導電性などの性質を決める重要な基本的な内容なので理解しておくことが重要だ。

実際の設計者の多くの人が忘れてしまっているが、実は今回の内容が機械材料の代表である鉄を例にすると鉄を合金化する場合の各添加物(炭素、クロム、モリブテンなどなど)の限界配合比率や代表的な表面処理である浸炭、窒化、浸硫の浸透性に繋がる超重要なことなのだ。

また化学の周期表の意味や見方もわかってくるのでとても重要である。

注意点として材料力学編でも繰り返し述べてきたが大切なことは、暗記ではなく理解が重要であることにも注意しておこう。

モノづくりは、学校のテストなどとは異なり、暗記が必要ではなくてモノづくりに知識が応用できるようにするための理解がとても重要だ。

もし忘れてしまったのならば調べて思い出せば良いだけだ。その調べるためにも理解が重要だ。

それでは、まず物質の基本となる原子の構造について説明していく。

原子の構成物質(陽子、中性子、電子)

物質の最小単位は、原子であることは多くの人が知っている事だと思う。

しかしながら、その原子を注意深く調べるともっと小さい物質が集まって構成されているのだ。

その構成物質は、陽子、中性子、電子の3つである。

この3つの物質は、それぞれ興味深い電気的特性を持っていて陽子は+の電荷、中性子は電気的に中性、電子は−の電荷を持っている。

原子は、基本的にこれらの物質が電気的に釣り合うような数で構成されている。

次に各構成物質の重量を紹介すると陽子と中性子の質量は約$ 1.672×10^-24g $ほどで電子は、その陽子の質量の$ \frac{1}{1840}$ほどになるので原子の重量は、ほぼ陽子と中性子の重量で決まると思って良い。

具体的に例えると陽子の重さを1Lの水(ペットボトル2本分)とすると電子の質量は、水滴一粒にも満たないくらいの重さだ。

では、これらの物質がどのように集まって具体的に原子を構成しているのかを説明していく。

例として周期表の一番、最初に存在している、この宇宙で最も基本的な物質である水素(H)で説明する。

この水素原子は基本的に陽子が1個、電子が1個で構成されている。

ここでいきなり水素原子を構成している各物質の数がわかるのかというと化学の周期表が大きく関わってくるのだ。

この化学周期表の超優れた特性の一つで周期表の各原子の数字は、構成物質である陽子と電子の数を教えてくれるのだ。

水素原子なら1番なので陽子1個、電子1個で2番目のヘリウム原子は陽子2個、電子2個とわかるようになっている超便利な表になっている。

なので主要な原子の番号(原子番号と呼ぶ)は、覚えておくと便利だ(忘れても調べれば問題ない)。

この周期表で原子の構成物質の数は、ほとんどわかるが厄介なことに中性子の数はわからないのだ。

まず基本的には原子は電気的に釣り合うようになるので陽子と電子の数は、同じである。

中性子も基本的には陽子と同じ数で構成されているのだが、自然界には時たま陽子に対し中性子の数が異なることがあるのだ。

このような陽子と電子の数は同じだが中性子の数が異なる物質を同位体(アイソトープ)と呼ぶ。

例として水素の場合だと自然界に99%以上存在している陽子1個、電子1個を軽水素(単に水素)と呼ぶ。

同位体である陽子1個、中性子1個、電子1個の構成の水素を重水素と呼び、陽子1個、中性子2個、電子1個の構成の水素を3重水素と呼ぶ。

こんな感じで多くの原子に同位体が存在しているが本講座は、機械材料なので説明はこの辺で止めておく(筆者も有名なものしか知らない)。

参考までに多くの人が知っていると思うが中性子の数を表すのに便利な数字があって、それを質量数という。

この質量数の概念は、超簡単で陽子の数と中性子の数を足したものだ。

意味としては、説明した通り原子の重さは、陽子と中性子の数でほとんど決まるので、“陽子の数と中性子の数を足したモノ≒質量“ということで質量数と呼んでいる。

この質量数の表記方法は次の図に水素を例にして示す。

そうすると水素の同位体の表は、次のように表されて完成だ。

ちなみにこの3重水素ってやつが最近、世間を賑わせたトリチウムの一種なのだ。

この3重水素は自然界にほとんどなく安定しない物質だが原発などの核エネルギー反応の一部で生成されるのだ。この3重水素は非常に不安定で比較的安定している重水素になろうとして中性子がベータ崩壊を起こし中性子を無くしてしまおうとするのだ(自然は、安定する方向に向かっていく)。

その崩壊する中性子が勝手に崩壊してくれれば問題ないのだが崩壊と一緒に放射能という厄介な奴を出してしまうのだ(中性子が放射能にカタチを変えてなくなるのだ)。

半減期が12.3年ほどで少し短めなのでそこそこの勢いで放射能が出る。

まあ、極少量の3重水素から出る放射能程度なら全く持って問題ないが3重水素が大量に集まって放射能を出すと流石に社会、自然界に影響が全くないとは、言いづらい状況になるのだ。

強いレベルの放射能の危険さはここで紹介すまでもないことだと思う。

ここまでが原子を構成している各物質の説明で次に原子の構造を説明していく。

原子の構造(電子軌道、電子殻)

この原子の構造は、筆者はとっても興味深いくて面白いのでなるだけわかりやすく説明していく。

まず各構成物質である陽子、中性子、電子の配置を水素とヘリウムを例に図にすると次のようになる。

基本的に陽子と中性子がくっついてその周りを電子がグルグルと回っている構造になっている。

この陽子と中性子がくっついている部分を原子核と呼ぶ。

これが当時の筆者には、惑星と衛星の関係に似ているような感じがして、とても感動したのを憶えている。

まるで地球と月のような関係が原子の中にもあるのかと想像した。

ただし実際の距離の間隔は地球と月の距離は、かなり近くて原子核と電子の距離はずーっと遠い。

しかしながら筆者が学生時代の当時は、電子は原子核の周りを円軌道で回っていると教えられていたが最新の化学では電子の動きは規則正しい円運動ではなくて、ある程度ランダムに動くらしい。

だから本来では、軌道という言葉を使うのは間違いらしいが学問の慣習で今でも軌道と呼んでも良いらしい(電気の流れと電子の移動が逆なのと一緒)。

ここまで電子が1個である水素で説明してきたが電子が増えていくと次のようになる(例として原子番号2のヘリウム)。

図のように電子が同じ軌道に2個存在する構造になる。

では、このまま電子の数が増加していくと増加した電子が同じ軌道に入るのかというとそうでないのだ。

一つの軌道に入れる電子の数は、ある定数に決まってしまうのだ。

では入りきらなかった電子は、どこに行くのかというと満杯になった軌道の外側に新しい軌道をつくってその中に入っていくのだ。

このようにして電子は、軌道に入っていき、溢れた電子は外に新しい軌道をつくって入るの繰り返しになるのである。

その軌道にも名前があって原子核に近い順にK殻、L殻、M殻、N殻・・・と呼ぶ。

何故かアルファベット順のKから始まるのか謎だったが調べてみると最初は、もっと内側に軌道が存在すると考えられていて念のためアルファベット順の10番目のKから名付けたが、その後に調べてみると内側に軌道がなかったので今でもKから始まる法則が続いている。

このような適当な名付けは、学問や工学の世界にはたくさんある。

もし読者の中で今後、新発見をして名前を付けるときは、自分が死んだ後もずーっと使われる場合もあるので名付けには、気をつけよう。

筆者もそこまで凄い発見をしたことはないが新機構の部品に適当な名前を付けて後で後悔したことがある(KAZUBARA リンクみたいな感じ)。

話は、元に戻すと各起動ごとに電子が入れる数が決まっていてK殻が2個、L殻が8個、M殻が18個、N殻が32個になっている。

ここでの電子の数は、基本的にn番目の電子殻には$ 2n^2個 $の電子が入れるのだ。

ここで誰もが疑問に思うのが“何故、各電子殻に入れる電子の数が決まるのか?異なるのか?“と思うはずだ。

習った当時の筆者も思ったがその時の教師には“わからん、決まりだ“と言われてしまった。

その後で調べてみると量子力学が解れば入れる電子の数の理由もわかるらしいのだが今でも厳密にどうしてかはわからなくてなんかの近似値らしい。

では改めて電子の数が増えていくと、どのような構造になるかいくつか図で示す。機械材料では頻繁に利用するマグネシウムとアルミを紹介する。

この状態が筆者には、学んだ当時に太陽を中心とする惑星の関係と同じように感じて感動した記憶がある。

実際には、星間の規則正しい法則、運動、軌道(ケプラーの法則など)や距離感と原子内の法則は、異なることに注意。

このように基本的に電子は、内側の軌道から埋まっていき外に新たな軌道を順につくるのだが、この法則はM殻の8個目の電子までで次からはM殻を飛び越えてN殻に入ってしまうのだ。

どうも電子は、8という数字が好きらしくて8個の電子が入ると軌道が安定するらしい。

これを8をオクテッドと呼ぶことからオクテッドの法則と呼ぶ。

イメージとしては各殻を電車の車両に例えるとわかりやすい。

まずホームへの降り口に近い車両のK殻には、2席ほど座席があって便利なので満席になるまで人が入る(二人まで、競争率高し)。

次にホームの降り口に近い車両のL殻には、座席が8席ほどあってそこそこ便利なので満席になるまで座る(8人まで)。

次にホームの降り口に近い車両のM殻には、座席が18席ほどあるのだがそこまで便利じゃないので8席までしか人が埋まらない。

残った人(電子)は、ホームの降り口から遠いM殻とN殻の車両では、利便性があまり変わらないのでどうせなら空いている快適な車両のが良いと思ってN殻の車両に人(電子)が行ってしまうのだ。

こんな感じで自然は、楽な方へ行こうとする法則があるのでめんどくさがりの人間の行動に似ることがあるのだ(筆者は、ひどい面倒くさがりだ)。

この法則も周期表の第3周期までに適用できるがその先は、また異なった挙動をするようだ。

ここまでで原子内では、原子核を中心とし、その周囲に電子が存在していること踏まえて、原子を電子顕微鏡で覗くとたくさんの原子がある決まった法則で高速に動いているのでまるで雲のように見えるらしい(筆者は、写真で見たことがある)。

このように雲のように見えることから電子雲と呼ぶ。

わかりやすいイメージとしては、ブラックホール(超重力)を中心とした数多の星が集まる銀河星雲に似ていると思う。

この世の最小物質の中に超巨大な銀河と同じような絵が見られるのは、なんとも感動的に感じる。

ここまでの説明が電子と電子軌道の関係の説明になる。

電子の挙動(イオン状態)

ここからは、電子の挙動について説明していく。

ここまでの説明で原子を構成する各物質は、電気的に釣り合うように陽子と電子の数は同じになるようになるのだが、その電気的釣り合い以上に電子が安定する状態があるのだ。

それが各電子軌道を満杯になっている状態を電子は、好むのだ。

こんな超安定した原子の種類を希ガス類と呼び周期表を入れば1発でわかるようになっている。一番、右端の縦の列は、全て希ガス類だ。

ただしM殻においては、オクテッドの法則から8個の電子が入ると次のN殻に電子が入っていく。

どうやらM殻の9番目の席に座るより電子は、次のN殻の席に座る方が楽なので飛び越えて行ってしまう(自然現象は、基本的に楽な方に作用する)。

つまり電子は、原子の電気的釣り合い状態よりも電子軌道が満杯になる状態を優先することがあり、その状態を閉殻と呼ぶ。

では、電子はどのような挙動で閉殻させようとするのかというと閉殻(満席)まで電子が1〜3個ほど足りない場合は、外から足りない分を補充しようとし、閉殻(満席)に対し電子が1〜3個ほど余分な場合は、外に出そうとするのだ。

この挙動により原子は、余所から電子を貰ったり上げたりして閉殻する。

この閉殻した状態だと原子は、もともとでは陽子と電子の数が同じで電気的に釣り合っていたのに電子を上げたり貰ったりすることで電気的釣り合いが崩れる。

この状態をイオン状態と呼ぶのだ。

もっと詳しく説明すると閉殻まで電子が足りない状態から余所から電子を貰って閉殻すると陽子に対し電子の数は、多いので電気的状態はプラスになる。

この状態を陽イオン、プラスイオン、+イオンと呼ぶ。

逆に閉殻に対し電子が余分にあるので余所に出して閉殻すると陽子に対し電子の数が少ないので電気的状態はマイナスになる。

この状態を陰イオン、マイナスイオン、ーイオンと呼ぶ。

各原子が+、ーのどちらのイオンになるのかは、“自然は、楽な方に作用する“を元に考えるとわかりやすい。

例えば8個で安定する電子軌道M殻に対して1〜3個の電子が足りない場合は、余所から貰うのが楽なので+になりL殻に1〜3個の電子が余分にある場合は、電子を外に出してしまうので−になる。

つまり電子の動く数が少ない方に作用するのだ(8個だと4個未満が目安になる)。

周期表を使うとどんなイオンになりやすいかすぐにわかる。原子番号が近い希ガスに対して原子番号が1大きければ+、2なら2+、3なら3+となり逆に原子番号が1小さければ1ー、2なら2ー、3なら3ーとなることが多い。

この原子のイオン状態というのが今後、説明していく結合をはじめとした様々な反応に大きな影響を与える重要な物質の状態なのでよく理解しておいて欲しい。

また、このイオン状態へのなりやすさも各原子で異なっておりイオン状態になりやすい順番をイオン化傾向と呼ぶ。

詳細は、後に説明するがこのイオン化傾向は、機械材料にとって超大切で腐食の一種である電蝕(異種金属の電池作用による錆)の発生の重要な指標になる。

現代でも電蝕の検討忘れによって重大な欠陥、事故が発生することがあるのでキーワードだけでも憶えておいて欲しい。

ここまでが原子構造の説明となる。

話は、変わるが10年以上前から流行り出したマイナスイオンが人体に良い影響をもたらす意味がよくわからない。

マイナスイオンとは物質の状態を示す言葉で物理現象や物理作用、化学反応を表す言葉ではなくマイナスイオンが単にあるだけでは、何も起こらないのだ。

しかも様々な物質がマイナスイオン状態になることがあり、いわゆるマイナスイオンとはどの物質のマイナスイオン状態を指すのだろうか?

誰か筆者に教えて欲しいものである。

まとめ

では原子の構造をまとめていこう。

原子の構造

原子は、陽子、中性子、電子から構成されている。

原子の陽子と電子の数は、基本的に同じで数は周期表の原子番号に従う。

原子の中性子は、基本的に陽子と同じ数になるが、自然界には中性子の数が異なる同位体(アイソトープ)が存在する。

原子の構造は、陽子と中性子からなる原子核を中心とし電子がその周囲に存在している。

原子核の周りの電子が存在できる軌道を電子殻と呼び、電子殻に入れる電子の数は決まっている。

電子殻は、原子核に近い順にK殻、L殻、M殻、N殻・・と呼ばれそれぞれ電子の入れる数は2、8、18、32とn番目の殻に$ 2n^2個 $の電子が入れる。

電子は、電子殻が満杯になる状態(閉殻)が安定しており、電子殻を満たすために外部と電子のやりとりを行おうとする。

閉殻するために電子のやりとりを行った結果、原子内の電気的釣り合いが崩れた状態をイオン状態と呼び、陽子より電子が多い状態を+イオン、電子が少ない状態をーイオンと呼ぶ。

となる。

ちょっと長くなってしまったのに加え内容のほとんどが中学、高校の化学になってしまったが重要なことなので是非、理解しておいて欲しい。

機械設計をはじめとしたモノづくりや仕事で今回の内容が残念ながら直接的に役に立つことは、ほとんどない。

しかしながら新しいモノを産み出そうとしたり業務中に今までにない現象や事象が発生したときに対応する場合には、今回のような基本になることが理解できてないと先に進むことは、ほぼ不可能になる。

筆者の願望なのだができればルーチンワークのエンジニアではなくて新しいモノの想像、発見ができるエンジニアに多くの人がなって欲しい願いを込めて本内容のような科学の基本的なことから説明している。

次回は、今回の内容を踏まえて原子間および分子間の結合について紹介していく。

初心者でもわかる機械材料4 原子間の結合(金属結合、イオン結合、共有結合、分子結合)

もしこの分野に興味がある人は、量子力学とかを勉強すると面白いと思う。

物質の最小単位が原子だと思われていたのが時代が進んで陽子らになりさらに陽子も注意してみるとクォークで構成されていることがわかってきてどんどん細かくなってきていることがわかると思う。

今のところは、最小物質がクォークになっているがこれから先に何が発見されるのかはわからない。

科学は、今のところわかっていることを体系的にまとめているだけで森羅万象を解明したものでは、ないことに興味を持って欲しい。

つまり科学でわかっていないことは、間違いやあり得ないことではなく単にまだ、誰も十分に検証、実験、実証ができていないだけである。

特に新しいことをやってみると見たことがない事象やわけのわからん実験結果が発生しまくる。

そんな経験をすると現代の人類の科学技術は、森羅万象を証明するのはまだまだ先だなと強く感じる。

基本的に参考書などはないが一応、筆者が使っている教科書を紹介する。これに沿って解説しているので一緒に読めば理解が深まるかもしれない。

 

また、ここで一つ、機械設計で必要な本があるので紹介しよう。

はっきり言って中身は不親切極まりないのだがちょっと忘れた時に辞書みたいに使える。一応、このブログを見てくれれば内容が理解できるようになって使いこなせるはずだ。

またよく使う規格が載っているので重宝する。JISで定められて機械材料の特性が載っている。

多くの人が持っていると思うがない人はちょっとお高いが是非、買ってくれ。またこの本は中古で買うことが多いと思うのだがなるべくなら表面粗さが新JIS対応のものが良い。


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エンジニアとしてステップアップするなら超おすすめだ。

最後にお勧めなのがアマゾン プライムだ。

機械設計では基本になる本が一般にあまり出回っていない上に高価で廃盤も多い。

また機械設計では規格を日常的に確認するのでタブレットやスマホだと使いにくい面もあって手持ちの本があることが望ましい(筆者がオッサンなだけか?)。

しかもほとんどの企業が気密の観点から個人のスマホ、タブレットの持ち込みは難しく、全員にスマホ、タブレットを配る余裕もないと思うので本で持っているのが唯一の手段だったりする(ノートパソコンやCADマシンはあるけど検索、閲覧には使いづらい)。

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  • この記事を書いた人

kazubara

輸送機器メーカーでの元エンジン設計者。15年の職務経験から機械設計知識を伝道します。また職歴を活かしてエアソフトガンをエンジニアリング視点で考えてみる。

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