物理化学 福井工業大学 工学部 環境生命化学科 原 道寛 物理化学：1章原子の内部 （メニュー） 1-1. • 光の性質と原子のスペクトル 1-2. • ボーアの水素原子モデル 1-3. • 電子の二重性：波動力学 1-4. • 水素原子の構造 1-5. • 多電子原子の構造 1-6. • 元素の諸性質と電子配置との関わり 1-5. 多電子原子の構造 水素原子1s, 2s , 3s・・・軌道 ⇒ 複雑な分子にも適応 原子核の電荷が 大きい A 内部の電子は核の近くまで引き付けられ B 軌道の広がりも 小さく なる 占有する電子のエネルギーは C 低く なる 水素原子(1s)より 水素原子 核 占有する電子の エネルギー D ＞ 多電子原子 核 多電子原子は水素とは違い縮退は起こらない。 1-5. 多電子原子の構造 水素原子の軌道＝ B A 主量子数+異なる副殻に属する軌道 同じエネルギー準位の例 E（2s） ＝ E(2p) 縮退 degeneracy 多電子原子 1-5. 多電子原子の構造 多電子原子 A E(2p) E（2s） < 電 子 核 内部 核 外部 電 子 電 子 有効核電荷 B 遮蔽 効果 C 核電荷による D 電気的な引力 エネルギーが 低くなる E 1-5. 多電子原子の構造 各軌道電子 • 内側にある殻 A (shell)への浸透 B 縮退した軌道 C • エネルギー差 • 逆転することあり。 D エネルギーの低い順に：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d、4f 1-5. 多電子原子の構造 電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子 A 電子構造（electronic structure） B 電子配置（electron configuration） 重要な原理・規則① ○パウリの禁制原理（Pauli exclusion principle） C D １つの原子の中の電子 ：四種類 の量子数が異なる。 F 個。 E 量子数n,l,mが同じ場合の電子 ：スピン量子数の異なる 2 G ：2個、スピンは逆向き H 一つの軌道に入る電子 。 1-5. 多電子原子の構造 電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子 A 電子構造（electronic structure） B 電子配置（electron configuration） 重要な原理・規則② ○フントの規則（Hund’s rule） 電子が縮退した軌道に入る時： C D E １．電子（スピン ）は各軌道 に同じ方向 で入る。 G 。 F ２．縮退した軌道に１つずつ 電子が占められるまで続く なぜならば：安定性より 電子： I J になる。 H 平均して互いに離れる ⇒反発が小さく なる⇒安定 同じ軌道を占める（2つ） <K 異なる軌道に存在(各1つ) 1-5. 多電子原子の構造 基底状態の中性原子の電子配置の決め方 1 2. A • 原子番号（Z）：Z個の電子を収容。 正負のイオン：Zから電子数を加減することで適応可能。 B • 低いエネルギーの軌道に電子を1個ずつ付け加えていく。 軌道のエネルギーの順序は、 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6sの順である。 C • .どの軌道にも二個より多くの電子を入れてはいけない。 3 1-5. 多電子原子の構造 電子配置は？ 水素 H （Z=1） H ＿＿＿ A H 1sB1 1s ヘリウム He He （Z=2） ＿＿＿ C He 1sD 2 1s 軌道図表（orbital diagram） 1s軌道に2個の電子を置くとき：パウリの禁制原理からスピンが反対方向を向く 1-5. 多電子原子の構造 電子配置は Li（Z=3） Li ＿＿＿ A Be（Z=4） Be 軌道図表 （orbital diagram） ＿＿＿ B 1s 2s ＿＿＿ E ＿＿＿ F 1s 2s D 1 1s2C2s1≒[He]2s H 2 1s2G2s2 ≒[He]2s 最外殻に注目した表記法 I [ ]内は芯電子（core electron） 1s副殻は完全に閉められており、 J 二個の電子は閉殻（closed shell）を形成しているという。 K 次にエネルギーの低い2s軌道に入る。 1-5. 多電子原子の構造 電子配置は ホウ素B（Z=5） B ＿＿＿ A D 22p1≒[He]2s E 22p1 1s22s ＿＿＿ B ＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿ C 2s 2p 1s I 22p2≒[He]2s J 22p2 1s22s 炭素C（Z=6） C ＿＿＿ F ＿＿＿ G ＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿ H 2s 2p ＿＿＿ L ＿＿＿ ＿＿＿ M ＿＿＿ 2s 2p 1s 窒素N（Z=7） N ＿＿＿ K 1s N 22p3≒[He]2s O22p3 1s22s フントの規則から、五番目の電子が 入っている2p軌道 とは 別の2p軌道 に スピンが同じ方向に向くように入る。 1-5. 多電子原子の構造 電子配置 酸素O（Z=8） O ＿＿＿ A 1s D 22p4≒[He]2s E 22p4 1s22s ＿＿＿ B ＿＿＿ ＿＿＿ C ＿＿＿ 2s 2p ＿＿＿ G ＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿ H 2s 2p フッ素F（Z=9） F ＿＿＿ F 1s Ne（Z=10） Ne ＿＿＿ ＿＿＿ L K 1s 2s 1s22sI 22p5≒[He]2sJ 22p5 N 22p6≒[He]2s O 22p6 1s22s ＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿ M 2p フントの規則から、五番目の電子が入っている2p軌道とは 別の2p軌道にスピンが同じ方向に向くように入る。 1-5. 多電子原子の構造 第三周期 A sには最大2個 Na（Z=11） Ne(Z=10) ＋1 C Ar（Z=18） Ne(Z=10) ＋8 F 副殻と J3p 副殻を満たす。 I 3s B pには最大6個 1s22s22p6 3sD1 1s22s22p6 3s2G3p6 [Ne] 3sE1 [Ne] 3s2H3p6 第四周期 1-5. 多電子原子の構造 Ar(Z=1８) ＋1A 1s22s22p63s23p6 4sB 1 [Ar] 4sC 1 Ar(Z=18) Ca（Z=20） ＋2D エネルギー 3d > 4s ↓ 4s に入る → 3d へ 1s22s22p63s23p6 4sE 2 [Ar] 2 4s F K（Z=19） しかし、 Cr(Z=24)は[Ar]3d5I4s1 Cu(Z=20):[Ar]3d10J 4s1 G 3d：縮退した軌道(5つ) H ＝10個の電子を収めること が可能 電子が満たされてくると 反発により、 K エネルギーの順番が変わる。 複雑!! 原子の電子配置 A 第一遷移元素=3d副殻が満たされていく • Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu B 第二遷移元素=4d副殻が満たされていく • Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag C ランタノイド元素=5dと４ｆ副殻が満たされていく • Z=57-71 D アクチノイド元素=5f副殻が満たされていく • Z=89-103 最外殻となる副殻と周期表との関係 ３-11族の遷移元素と１２ C 族：最外殻はd軌道 1族アルカリ金属と ２族アルカリ土類金 属：最外殻はs軌道 A １３-１８族の典型元 素：最外殻はp軌道 B
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