私はメイドです!〜お嬢様の世界征服に巻き込まれた哀れな日々〜

第一章 国内改革

第53話 【科学回】周期表を作る〜ヨハン視点〜

※作者の趣味で科学蘊蓄が延々と続きます。興味ない方は遠慮なく飛ばしてください。

化学の教師をやれと言われた。

困った。

師匠から教わったことを、どうやって学生に伝えればいいんだ。

鉄、銅、金、銀、鉛、錫……

炭素、硫黄、リン……

水素、酸素、窒素……

たくさんの元素を教わった。でも、バラバラに覚えたせいで、頭の中がごちゃごちゃしてる。

俺は机の上に紙を広げて、知っている元素を書き出してみた。

「うーん……」

鉄と銅は金属だろ。金と銀も。でも炭素とか硫黄は違うし……

「どうやって分類すりゃいいんだ……」

一人で悩んでいても仕方ない。師匠に聞きに行こう。

◆

師匠の執務室に行くと、いつものように紅茶を飲んでいた。

「師匠、ちょっと聞きたいんだけど」

「何？」

「元素って、どう分類すればいいんだ？　学生に教えるのに、まとまりがなくて」

「……いい質問ね」

師匠は紅茶のカップを置いた。

「いい機会だわ。これまであなたに教えてきた知識は、必要に応じてバラバラに教えてきたもの。このタイミングで体系立てて整理しましょう」

「体系立てて……」

「まず、原子の話から始めるわ」

「原子？　前に聞いた、物質の最小単位ってやつか」

「そう。でも実は、原子もさらに小さな粒子でできているの」

「え？　最小単位じゃないのか？」

師匠は紙を取り出して、図を描き始めた。

「原子は3つの粒子でできているわ」

師匠がペンを走らせる。

「電子、陽子、中性子」

「3つ……」

「その前に、電荷について説明するわ」

「電荷？」

「プラスとマイナスという2種類の値があるの。プラス同士、マイナス同士は反発する。でもプラスとマイナスは引き合う」

「プラス、マイナス？」

「今はそこは深掘りしないわ。ともかく2つあるものだと思って」

「……分かった」

「電子はマイナスの電荷。陽子はプラスの電荷。中性子は電荷なし」

師匠は紙の中心に丸を描いた。その周りに、小さな丸をいくつか描く。

「こう考えて。中心に原子核がある」

「原子核……」

「原子核は陽子と中性子でできている。その周りを、電子がぐるぐる回っているの」

俺は図を見つめた。

「おお……こういう構造なのか！」

目の前に、原子の姿が見えた気がした。

「で、この3つの粒子が何の役に立つんだ？」

「陽子の数で、元素の種類が決まるの」

「陽子の数？」

「陽子が1個なら水素。2個ならヘリウム。6個なら炭素。26個なら鉄」

「……つまり、陽子の数を数えれば、何の元素か分かるってことか」

「そう。これを原子番号と呼ぶわ」

「すげえ！　陽子の数で元素が決まるのか！」

だから水素は水素だし、鉄は鉄なんだ。シンプルだけど、すげえ発見だ。

「じゃあ中性子は何のためにあるんだ？」

「いい質問。陽子はプラスの電荷を持っているでしょう？」

「ああ」

「プラス同士は反発する。陽子だけだと、原子核がバラバラになってしまう」

「……」

「中性子は接着剤の役目をしているの。陽子同士をくっつけて、原子核をまとめている」

「接着剤！　そういうことか！」

陽子同士が反発するのを、中性子が抑えてる。だから原子核はバラバラにならない。うおお、面白くなってきた。

「じゃあ、陽子を増やせばいくらでも新しい元素が作れるのか？　1000個とか、10000個とか」

「理論上はね。でも現実は違うわ」

「どういうことだ？」

「陽子が増えると、反発する力も強くなる。中性子だけでは抑えきれなくなるの」

「……」

「だから、原子番号が大きくなるほど不安定になる。存在するのが難しくなるのよ」

「限界があるってことか」

「そう。自然界に存在する元素は、92番のウランまで。それ以上は人工的に作るしかないわ」

92番か。俺が知ってる元素なんて、せいぜい30種類くらいだ。まだまだ知らないことがたくさんある。

師匠が新しい紙を取り出した。

「さて、ここからが本題よ」

「本題？」

「元素を原子番号順——つまり陽子の数の順に並べると、面白いことが起きるの」

「面白いこと？」

「似た性質の元素が、周期的に現れる」

「周期的……？」

「だから周期表と呼ぶの」

師匠は表を描き始めた。

一行目は二つの升目。二行目以降は八つずつ。途中で「ランタノイド」「アクチノイド」と書かれた場所があり、そこは別枠で下に続いている。升目の一つ一つに、元素の名前が書き込まれていく。

俺は表に書かれた名前を上から順に読み上げた。

「水素、ヘリウム……リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素……」

「そう。こうやって順番に並べていくの」

師匠のペンが紙の上を走る。横に並べていって、ある数で折り返して下に続ける。

「見て。水素の下にリチウム、その下にナトリウム」

「……」

「縦に並んだ元素は、似た性質を持つのよ」

「なんでだ？」

「最外殻電子の数が同じだから」

「最外殻電子？」

「電子は原子核の周りを回っていると言ったでしょう。でも、ただ回っているわけじゃないの」

師匠が図を描き足す。原子核の周りに、いくつかの円が描かれた。

「電子は層になって回っている。内側から順に、殻と呼ぶわ。一番外側の殻にある電子が、最外殻電子」

「層になってる……」

「そして、それぞれの殻には入れる電子の数が決まっているの。一番内側は2個まで。その外側は8個まで」

「なんで8個？」

「そういうものだと思って。重要なのは、原子は最外殻を満杯にしたがるということ」

「満杯に……」

「そのために、電子を渡したり、受け取ったり、共有したりする。それが化学反応の正体よ」

俺はハッとした。体が震える。

「待て待て待て……電子を渡したり受け取ったり。それって」

「気づいた？」

「イオン結合と共有結合か！！」

思わず立ち上がった。

以前、師匠に教わった。原子同士がくっつく方法には種類がある。電子を渡してくっつくのがイオン結合。電子を共有してくっつくのが共有結合。

あの時は「そういうものか」としか思わなかった。でも今なら分かる！

「最外殻を満杯にするために、電子をやり取りしてたのか！　やべえ、全部繋がった！」

「そういうこと」

師匠が小さく笑った。

「つまり……縦の列が似た性質なのは」

「最外殻電子の数が同じだから。同じ数の電子を渡したい、あるいは受け取りたい。だから似た反応をするの」

なるほど。ようやく繋がった。

「一番右の列は、ほとんど反応しない気体。ヘリウム、ネオン、アルゴン……希ガスと呼ぶわ」

「反応しない？」

「もう最外殻電子が埋まっているから。渡す必要も、受け取る必要もないの」

「そういうことか！　満杯だから安定してる、だから反応しない！」

完璧に理屈が通っている。すげえ、すげえぞこの表！

「一番左は？」

「水と激しく反応する金属。リチウム、ナトリウム、カリウム……アルカリ金属と呼ぶわ」

「あ、ナトリウムは水に入れたら爆発したやつだ！」

思い出した。前に師匠が実験で見せてくれた。水に金属の塊を入れたら、激しく燃え上がったんだ。

「覚えてたのね。なぜ激しく反応するか、分かる？」

「最外殻電子が……1個だから？」

「そう。たった1個だから、すぐに渡せる。渡してしまえば満杯になるの」

「なるほど」

「ナトリウムは電子を1個渡して、プラスの電荷を持つ。何に渡すと思う？」

「ナトリウムは水に入れたら爆発したから……水……か？」

「そう。水はH₂O。水素が2つと酸素が1つ。このうち、OHがナトリウムと結びついてNaOHになる」

「NaOH……水酸化ナトリウム。師匠に前教えてもらった、超危険なやつだ」

目に入ると失明する、と師匠に脅された記憶がある。

「じゃあ、残った水素はどうなると思う？」

俺は考えた。水素が余る。余った水素は……

「気体になって出てくる？」

「正解。水素ガスよ。それが空気中で燃えるから、爆発するの」

師匠が紙に化学式を書いた。

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

「うおおお！　そういうことか！！」

だから激しく燃え上がったんだ！　水素が発生して、それが燃えていた！　あの爆発の正体が、今やっと分かった！

「リチウムなら水酸化リチウム、LiOH。カリウムなら水酸化カリウム、KOH。同じ列だから、同じように反応するの」

同じ列、同じ最外殻電子の数、同じ反応。全部繋がっている！　やべえ、鳥肌立ってきた！

師匠が表の別の列を指さす。

「その隣の列は、アルカリ土類金属。ベリリウム、マグネシウム、カルシウム……」

「カルシウム？　骨に含まれてるやつか」

「そう。アルカリ金属ほど激しくはないけれど、やはり反応しやすい金属よ」

師匠が化学式を書く。

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

「最外殻電子が2個だから、2個渡すのか」

「そういうこと。水酸化カルシウムになるわ」

「じゃあマグネシウムも同じか」

「ええ。ちなみに、海水から塩を取ると苦い液体が残るでしょう？　『にがり』っていうんだけど、あれは塩化マグネシウム、MgCl₂よ」

「へえ……あの苦いやつか」

「右から二番目の列は、ハロゲン。フッ素、塩素、臭素、ヨウ素……」

「塩素は知ってる。毒だろ」

「正解。ハロゲンは反応性が高くて、金属と結びついて塩を作る。塩化ナトリウム——つまり食塩は、ナトリウムと塩素が結びついたものよ」

「食塩が……ナトリウムと塩素！？」

俺は表を見つめた。アルカリ金属のナトリウムと、ハロゲンの塩素。両方とも反応しやすい元素同士が結びついて、安定した塩になる。

「やべえ！　毎日食ってる塩が、こんな仕組みだったのか！」

「じゃあ、真ん中あたりの列は？」

「炭素の列ね。最外殻電子が4個」

「4個……渡すのも受け取るのも中途半端だな」

「だから共有するの。4個の電子を他の原子と共有して、8個に満たす」

「共有結合か」

「そう。炭素同士が共有結合でびっしり繋がると、何になると思う？」

「ダイヤモンド。前に教えてもらった」

「覚えてて偉いわ。だからあんなに硬いの。共有結合で強固に繋がっているから」

「共有結合の話は前してくれたから覚えてたけど、最外殻電子のことを知ると理解がだいぶ変わるな！やべー面白い！」

なるほど。あの時は「炭素がダイヤモンドになる」としか覚えていなかったが、今なら理由が分かる。

「すげえ……すげえよ師匠！　こういう並びになってたのか！」

俺は興奮を抑えられなかった。バラバラだと思っていた元素に、規則性があった。全部繋がっていた。

「だから似た性質のものがあったんだ！　最外殻電子が同じだから！」

「……これ、学生に教えていいのか？」

「もちろん。むしろ教えなさい」

師匠は言った。

「知識は独り占めするものじゃない。広めることで価値が生まれる」

俺は周期表を見つめた。師匠から教わったバラバラの知識が、一枚の表に収まっている。

……待てよ。

「師匠、ちょっと待ってくれ」

俺は執務室を飛び出した。