地方上級 ／ 化学 ／ zn-04

更新 2026-09-14

物質の構成と変化（原子・結合・反応式）

この単元でできるようになること

• 純物質と混合物、単体と化合物、同素体を区別し、混合物を分ける方法（ろ過・蒸留・再結晶など）を選べる
• 原子の構造（陽子・中性子・電子）から、質量数・原子番号・中性子数・同位体の関係を計算できる
• 電子配置と周期表を対応させ、最外殻電子の数からイオンの価数を出せる
• 4 つの結合（イオン結合・共有結合・金属結合・分子間力）と結晶の性質（融点・電気伝導性）を結びつけられる
• 化学反応式の係数を合わせ、質量保存の法則で反応の前後の量を追える

試験での位置づけ

地方上級・国家一般職の化学は 1〜2 問で、この単元は「化学の言葉」そのものです。周期表と電子配置、結合と結晶の性質は正誤問題の定番で、計算は中性子の数・平均原子量・反応式の係数程度です。次の zn-05（mol・濃度・酸と塩基・酸化還元）の計算はすべてこの単元の言葉の上に乗るので、先にここを固めておくと後が楽になります。高校の化学基礎（cb-01〜cb-03・cb-06）の範囲と同じです。

1. 物質の分類と分離 ── まず「混ざっているか」

まずここだけ

同素体は「同じ元素の単体なのに性質が違うもの」で、S・C・O・P（スコップ）の 4 元素で覚えます。

「同素体」と「同位体」（次の節）は字が似ていて入れかえて出題されます。同素体は単体どうし、同位体は原子どうしの話です。

ここまでできれば十分

混合物を分ける操作は「何の違いを使うか」で選びます。

「食塩水から食塩を取り出す」は蒸発乾固、「食塩水から水を取り出す」は蒸留です。何を取り出したいかで答えが変わります。

2. 原子の構造と同位体 ── 数の関係は 2 本の式

まずここだけ

原子は中心の原子核（陽子 ＋ 中性子）と、そのまわりの電子でできています。

原子番号 ＝ 陽子の数 ＝ 電子の数（原子は電気的に中性） 質量数 ＝ 陽子の数 ＋ 中性子の数

元素記号の左上に質量数、左下に原子番号を書きます。

²³Na（原子番号 11）→ 陽子 11・電子 11・中性子 23 − 11 ＝ 12 ³⁷Cl（原子番号 17）→ 中性子 37 − 17 ＝ 20

ここまでできれば十分

同位体（アイソトープ）は、陽子の数が同じで中性子の数が違う原子どうしです。化学的な性質はほぼ同じで、質量だけが違います。

原子量は ¹²C ＝ 12 を基準にした相対質量で、同位体があるときは存在比で重みをつけた平均です。

塩素：35 × 0.75 ＋ 37 × 0.25 ＝ 26.25 ＋ 9.25 ＝ 35.5

放射線を出して別の原子核に変わる同位体を放射性同位体といい、半分になるまでの時間が半減期です（¹⁴C は約 5,730 年）。半減期を 2 回すぎると 1/4、3 回で 1/8 になります。

3. 電子配置と周期表 ── 最外殻電子で性質が決まる

まずここだけ

電子は内側から K 殻（2 個）・L 殻（8 個）・M 殻（18 個）…の順に入ります（それぞれ最大 2n² 個）。いちばん外側の殻の電子を最外殻電子といい、原子番号 1〜20 では次のようになります。

Na（11）→ 2・8・1、Cl（17）→ 2・8・7、Ar（18）→ 2・8・8

周期表は原子番号順に並べ、最外殻電子の数が同じ元素が縦（族）に並ぶように折り返した表です。横の行が周期（＝電子殻の数）。

ここまでできれば十分

原子は希ガスと同じ電子配置になろうとします。最外殻電子が 1〜3 個なら放出して陽イオン、6〜7 個なら受け取って陰イオンになります。

Na → Na⁺（電子 10 個 ＝ Ne と同じ）、Mg → Mg²⁺、Al → Al³⁺ Cl → Cl⁻（電子 18 個 ＝ Ar と同じ）、O → O²⁻、S → S²⁻

価電子は結合に使われる最外殻電子で、希ガスだけは最外殻が 8 個（He は 2 個）でも価電子 0 と数えます。

周期表の左下ほど陽性（電子を放しやすい・イオン化エネルギーが小さい）、右上ほど陰性（電子を引きつけやすい・電気陰性度が大きい。希ガスを除く）が強くなります。

もう一歩（発展）

イオン化エネルギーは原子から電子を 1 個取り去るのに必要なエネルギーで、同じ周期では右ほど大きく、希ガスで最大、次の周期のアルカリ金属で最小になります。原子番号順にグラフにするとのこぎりの歯のような形になり、山が希ガス、谷がアルカリ金属です。

4. 化学結合と結晶 ── 「誰が電子をどうするか」

まずここだけ

「金属と非金属ならイオン結合、非金属どうしなら共有結合、金属どうしなら金属結合」が最初の判断です。

ここまでできれば十分

結晶の性質は結合の種類で決まります。

黒鉛が電気を通す理由は、炭素の 4 個の価電子のうち 3 個で平面の網目をつくり、残り 1 個が平面上を自由に動くからです。ダイヤモンドは 4 個すべてを結合に使うので通しません。

分子の極性：共有結合でも、電気陰性度の差で電子がかたよると極性が生まれます。H₂O（折れ線形）・NH₃（三角錐形）・HCl は極性分子、CO₂（直線形）・CH₄（正四面体形）は結合に極性があっても形が対称なので無極性分子です。「水と油が混ざらない」のは極性の違い、「水の沸点が分子量のわりに高い」のは分子間にはたらく水素結合のためです。

もう一歩（発展）

配位結合は、一方の原子が非共有電子対をまるごと提供してできる共有結合です。アンモニウムイオン NH₄⁺（NH₃ ＋ H⁺）、オキソニウムイオン H₃O⁺（H₂O ＋ H⁺）が代表で、できてしまえばほかの共有結合と区別がつきません。

5. 化学反応式と質量保存

まずここだけ

化学反応式は「反応の前後で原子の種類と数が変わらない」ように係数を合わせます（質量保存の法則。ラボアジエ）。

メタンの燃焼：CH₄ ＋ 2O₂ → CO₂ ＋ 2H₂O 手順：C を合わせる（CO₂ 1 個）→ H を合わせる（H 4 個 → H₂O 2 個）→ 最後に O を合わせる（右辺の O は 2 ＋ 2 ＝ 4 個 → O₂ 2 個）

単体（O₂・H₂ など）は最後に合わせると 1 回で決まります。

ここまでできれば十分

プロパンの燃焼：C₃H₈ ＋ 5O₂ → 3CO₂ ＋ 4H₂O（右辺の O ＝ 6 ＋ 4 ＝ 10 → O₂ は 5） 鉄の酸化：4Fe ＋ 3O₂ → 2Fe₂O₃ 水の電気分解：2H₂O → 2H₂ ＋ O₂

係数の比は分子の数の比 ＝ 物質量（mol）の比です。「気体なら同温・同圧で体積の比」にもなります。ここから先の量の計算は zn-05 で扱います。

化学の基本法則は名前と内容の対応で出題されます。

6. よくある間違い

7. 覚え方の型

1. 物質を見たら「混合物か純物質か → 単体か化合物か」の順で分類する。同素体は S・C・O・P
2. 原子の数は「原子番号 ＝ 陽子 ＝ 電子」「質量数 − 原子番号 ＝ 中性子」の 2 本で全部出る
3. 原子番号 1〜20 の電子配置は 2・8・8 の順に埋めて最外殻を数える。1〜3 個なら陽イオン、6〜7 個なら陰イオン、8 個なら希ガス
4. 結合は「金属か非金属か」の組み合わせで決め、結晶の性質は「融点」と「電気を通すのはいつか」の 2 点で押さえる
5. 反応式の係数は「単体を最後に」合わせる。合わせ終わったら原子の数を左右で数え直す

8. 小テストへ

→ 小テスト（zn-04）

関連する単元

• 前提：s2-04 原子・分子・化学式・化学反応式、s2-05 化学変化と質量（中学理科）
• 高校の土台：cb-01 物質の構成、cb-02 原子の構造・電子配置・周期表、cb-03 化学結合、cb-06 化学反応式と量的関係
• 次に進む：zn-05 理論化学（mol・濃度・酸と塩基・酸化還元）、zn-06 無機と有機の基礎

参考資料

• 文部科学省「高等学校学習指導要領（平成 30 年告示）解説 理科編」── 化学基礎「物質の構成」「物質の変化とその利用」
• 高等学校「化学基礎」教科書（物質の構成粒子・化学結合・物質量と化学反応式の各章）
• 日本化学会 原子量専門委員会「原子量表」── 塩素の同位体存在比と原子量
• 人事院「国家公務員採用一般職試験（大卒程度試験）受験案内」── 基礎能力試験の出題分野（自然科学）

受験のしらべ ／ https://juken-shirabe.com/koumuin/shizen/zn-04/ ／ 更新 2026-09-14

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