この実験について
ナトリウムとカリウムはなぜよく似た性質を示すのでしょうか。また、周期表はなぜあの独特な形をしているのでしょうか。その答えは、原子核の周りにおける電子の配置にあります。電子は決まった順序でエネルギー準位と軌道を満たし、1つの軌道には反対向きのスピンを持つ電子が2個まで入ります。また、同じエネルギーの軌道では、電子は対になる前にそれぞれの軌道へ1個ずつ入ります。水素からクリプトンまで、陽子を1個ずつ増やしながら原子を組み立て、殻モデルと軌道モデルを比べ、イオンを作ってどの電子が先に抜けるかを確かめましょう。
学習目標
- 元素1〜36の電子配置を完全な表記と希ガス表記で書く
- 構築原理、パウリの排他原理、フントの規則を適用する
- 電子殻の配置2、8、8を、詳細な副殻の配置と結び付ける
- 周期表のsブロック、pブロック、dブロックが、電子の充填順序からどのように決まるか説明してください
- 遷移金属イオンを含むイオンの電子配置を書いてください
使い方
- 1「Build up」を押して、水素からクリプトンまでの原子を見てみましょう。3pの次にどの副殻が満たされますか。また、なぜ3dではないのでしょうか？
- 2窒素で止めましょう。3つの2p電子はボックス図でどのように配置されますか？不対電子はいくつありますか？酸素と比べてみましょう。
- 3リチウム、ナトリウム、カリウムの電子配置を比べてみましょう。共通点は何ですか。また、それはそれぞれの化学的性質をどのように説明しますか？
- 4下部の表を見てください。現在の元素はどのブロックに属していますか。また、それは最後に満たされる副殻とどのように一致しますか？
- 5クロムと銅を見てみましょう。単純な規則とどのように異なりますか？注記を読んでください。
- 6Na⁺、Cl⁻、O²⁻を作ってみましょう。それぞれはどの希ガスの電子配置になりますか？
- 7Fe²⁺とFe³⁺を作ってみましょう。最初に抜ける電子はどれですか？Fe³⁺が特に安定なのはなぜですか？
- 8殻の順序と充填順序を切り替えてみましょう。あなたの試験機関ではどちらの表記法を使いますか？
モデル
前提条件
- 気相中の孤立した原子およびイオンの基底状態。対象は元素1〜36のみです。
- 中性原子は n + l の充填順序に従いますが、この範囲での例外はクロム（3d⁵ 4s¹）と銅（3d¹⁰ 4s¹）のみです。
- 陽イオンでは、最も外側の殻から電子が取り除かれ、同じ殻では p 電子が s 電子より先に取り除かれます。陰イオンでは、充填順序に従って電子が加わります。
- 軌道ボックス図は電子配置を記録するための図です。矢印はスピンの上向きと下向きを示すもので、実際の運動を表すものではありません。
授業で試してみましょう
- Q1硫黄と S²⁻ の完全な電子配置を書きなさい。
- Q2ある元素の電子配置は [Ar] 3d³ 4s² です。その元素の名前と族を答えなさい。
- Q3マンガン原子には不対電子がいくつありますか。また、Mn²⁺ にはいくつありますか。
- Q4カリウムとカルシウムではなぜ3dより先に4sが満たされるのに、スカンジウムが Sc³⁺ になるときにはなぜ4s電子が最初に失われるのでしょうか。
- Q5同じ族の元素は、なぜ似た化学的性質を持つのですか？
よくある質問
4sは3dの前と後、どちらに書くべきですか？
どちらの書き方も使われています。副殻を殻の順に書く方法（[Ar] 3d⁶ 4s²）はIUPAC方式で、多くの試験機関で採用されています。電子が充填される順に書く方法（[Ar] 4s² 3d⁶）は、電子が加わった順序を示します。授業でどちらの表記が使われているか確認してください。この実習では両方を示しています。
なぜ「2、8、8」の規則だけでは不十分なのですか？
第3殻には18個の電子を収容できますが、4sは3dよりエネルギーが低いため、第3殻が満たされる前にカリウムから第4殻への電子の収容が始まります。単純な「2、8、8」のパターンが当てはまるのはカルシウムまでです。
周期表の下の方にも例外はありますか？
あります。モリブデン、銀、金など、ほかにも単純な順序に従わない元素があります。また、重い元素ではエネルギー差が非常に小さいため、計算なしで電子配置を予測するのは困難です。