同位体
同位体（アイソトープ）とは、原子番号（陽子の数）が同じで、質量数（陽子＋中性子の数）が異なる原子どうしのことです。名前が似ている「異性体」とはまったく別の概念なので、区別して覚えます。
定義
- (1) 同位体とは、原子番号（陽子の数）が同じで中性子の数が異なるため質量数が異なる原子どうしをいう。同じ元素であり、化学的性質はほぼ同じである。OpenStax「Atomic Structure and Symbolism」
- (2) 質量数＝陽子の数＋中性子の数である。原子番号＝陽子の数＝（中性の原子では）電子の数である。OpenStax「Atomic Structure and Symbolism」
代表的な同位体
| 元素 | 同位体 | 陽子 | 中性子 | 質量数 |
|---|---|---|---|---|
| 水素 | ¹H（軽水素） | 1 | 0 | 1 |
| 水素 | ²H（重水素・D） | 1 | 1 | 2 |
| 水素 | ³H（三重水素・T） | 1 | 2 | 3 |
| 炭素 | ¹²C | 6 | 6 | 12 |
| 炭素 | ¹³C | 6 | 7 | 13 |
| 炭素 | ¹⁴C | 6 | 8 | 14 |
- (3) 水素には¹H・²H（重水素）・³H（三重水素）の同位体があり、いずれも陽子は1個で中性子の数だけが異なる。OpenStax「Atomic Structure and Symbolism」
- (4) 同位体のうち原子核が不安定で放射線を出しながら壊変するものを放射性同位体という。¹⁴Cは放射性同位体で、年代測定に用いられる。OpenStax「Nuclear Structure and Stability」
- (5) 同位体は電子の数と配置が同じなので化学的性質はほぼ同じである。異なるのは質量に由来する物理的性質（沸点・拡散速度など）である。OpenStax「Atomic Structure and Symbolism」
同位体と異性体の違い
| 同位体 | 異性体 | |
|---|---|---|
| 対象 | 原子 | 分子（化合物） |
| 何が同じか | 原子番号（陽子の数） | 分子式 |
| 何が違うか | 中性子の数（質量数） | 構造 |
| 性質 | 化学的性質はほぼ同じ | 性質が異なることが多い |
| 例 | ¹²Cと¹⁴C、¹Hと²H | エタノールとジメチルエーテル |
- (6) 同位体は「原子番号が同じで質量数が異なる原子」、異性体は「分子式が同じで構造が異なる化合物」である。同位体は化学的性質がほぼ同じだが、異性体は性質が大きく異なることが多い。OpenStax「Hydrocarbons」
同素体との違い
- (7) 同素体は、同じ元素からなる単体で性質が異なるものをいう。酸素とオゾン、ダイヤモンドと黒鉛、黄りんと赤りん、斜方硫黄と単斜硫黄とゴム状硫黄が代表例である。同位体（原子の話）とも異性体（化合物の話）とも異なる。OpenStax「Periodicity」
危険物では黄りんと赤りん（ともにりんの同素体）が典型例で、黄りんは第3類の自然発火性物質、赤りんは第2類の可燃性固体と、まったく別の類に分類されます。
試験での頻出ポイント
- 同位体は「陽子が同じ・中性子が違う」。電子の数が違うのはイオンです。
- 「同位体」「同素体」「異性体」の3つを混同させる問題が定番です。同位体＝原子／同素体＝単体／異性体＝化合物と整理します。
- 同位体の化学的性質はほぼ同じです。
- 黄りん（第3類）と赤りん（第2類）は同素体でありながら危険物としての類が異なります。
出典・参考
- OpenStax Atomic Structure and Symbolism
- OpenStax Periodicity