化学概論 第5回 GO⇒4１⇒GO 1. を押してください 先週のまとめ 水素原子の電子の波動関数は、3つの量子数（主量子数n、方位量 子数l 、磁気量子数m ）の組み合わせで形状が決まる。 エネルギーは主量子数 n のみで決まり、ボーアの理論と一致する。 波動関数（電子の軌道）の形状は s軌道 n=1, 2, 3, ... p軌道 n= 2, 3, ... d軌道 n= 3, ... 水素原子の原子軌道について 正しい記述は？ 1. 電子のエネルギーは量 子数の組合せで決まる 2. 電子のエネルギーは主 量子数で決まる 3. 電子の軌道は主量子数 で決まる 4. 電子の軌道は磁気量子 数で決まる 43% 30% 23% 気 磁 量 は 主 道 は 電 子 の 軌 道 の 軌 子 電 ... ... 子 ... ギ ー は ル エ ネ 子 の 電 電 子 の エ ネ ル ギ ー は ... 3% 水素原子の電子軌道について 正しい記述は？ 1. s軌道はｘ、ｙ、ｚ軸に 沿った亜鈴状 2. p軌道は球状 3. s軌道は球状 4. d軌道は球状 5. どれも正しくない 50% 21% 16% 12% ど れ も 正 し くな い 状 球 は 道 d軌 道 は 球 状 球 は 道 p軌 s軌 ... た っ に 沿 、ｚ 軸 は ｘ、 ｙ 道 s軌 状 2% 多電子原子の電子配置 複数の電子が存在する系（原子、分子）ではシュレディンガーの波 動方程式を厳密には解くことができない。 電子は原子核からのほかに、別の電子からも力を受けるが、電子 の位置は不確定性原理から特定できないため、電子間のポテン シャルエネルギーを厳密に表すことができない ⇒ 工夫して1電子系に近似して考える 遮蔽効果と有効核電荷 ー近似方法ー 最初の電子を水素型原子軌道の1s軌道におく ↓ 原子核によるポテンシャルが変化する 次の電子が受ける「見かけの」核電荷を「有効核電荷Zeff」という Zeff=Z-s s：遮蔽定数 その電子が原子核の近くにある確率が高い→sが小さい その電子が原子核から遠い→sが大きい 電子の受ける力 +Ze -e 1電子では核の電荷は直 接電子に作用する 電子の受ける力は減少 +Ze -e 核に近い他の電子によって核の 電荷が一部遮蔽され、有効核電 荷の分だけが電子に作用する 主量子数 n が同じでも原子核に近い軌道はsが小さい ↓ ポテンシャルエネルギーは低い（負に大きい） s軌道＜p軌道＜d軌道＜f軌道、、、 ↓ 主量子数 n の軌道での n2 重の縮退が解ける 9 3s,3p,3d －－－－－－－－－ 4 2s,2p エネルギー準位の逆転 －－－－－ － －－－ － －－－ 縮退している 軌道の数 5 1 3 1 3 高 エ ネ ル ギ ー －－－－ － 1 1s 3d 4s 3p 3s 2p － － 水素原子型 一般の原子 原子軌道のエネルギー準位の変化 2s 1 1s 1 縮退している 軌道の数 3dより4s、4p軌道の エネルギーが低い 10 30 テキスト p.66 軌道のエネルギーはおおよそ 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s≒3d < 4p < 5s≒4d < 5p < 6s < 4f≒5d < 6p... 原子の電子配置 ・基底状態（電子のエネルギーが最小）が基本 ・構築原理に従って電子が各軌道（電子状態）にはいる ①エネルギーの小さい軌道から占有される ②特定の量子数の組み合わせはただ1個（Pauliの排他律） ③縮退している軌道（lが同じ）に複数の電子が入る場合、異なる 磁気量子数の軌道に入り、電子間の反発を小さくする。その時、 スピン量子数は等しい状態となる（Huntの法則） ①、②より各軌道には最大2個の電子が入る → 主量子数 n の軌道には最大 2n2 個の電子が入り得る 中性原子の電子配置 その１ Z 1 1s H ↑ 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1 H ↑ 1s1 K1 2 He ↑↓ 1s2 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では K1 1 H ↑ 1s1 2 He ↑↓ 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では K1 1 H ↑ 1s1 2 He ↑↓ 1s2 閉殻構造 K2 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す K2L1 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ 2s 2p 不対電子 ↑ 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1s2 閉殻構造 K2 1s22s1 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す K2L1 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 不対電子 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ 1s22s22p1 K2L3 不対電子 ↑ 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ 1s22s22p2 K2L4 不対電子 ↑ 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ K2L4 不対電子 ↑ 1s2 閉殻構造 K2 1s22s22p2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p2 K2L4 7 N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p3 K2L5 不対電子 ↑ 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p2 K2L4 7 N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p3 K2L5 不対電子 ↑ 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p2 K2L4 7 N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 1s22s22p3 K2L5 8 O ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p4 K2L6 不対電子 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p2 K2L4 7 N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 1s22s22p3 K2L5 8 O ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p4 K2L6 9 F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 1s22s22p5 K2L7 不対電子 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 中性原子の電子配置 その１ Z 1s 2s 2p 主量子数n=1-2 電子配置 高校では 1s1 K1 1 H ↑ 2 He ↑↓ 3 Li ↑↓ ↑ 1s22s1 K2L1 4 Be ↑↓ ↑↓ 1s22s2 K2L2 5 B ↑↓ ↑↓ ↑ Huntの法則 1s22s22p1 K2L3 6 C ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p2 K2L4 7 N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 1s22s22p3 K2L5 8 O ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s22s22p4 K2L6 9 F ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 1s22s22p5 K2L7 10 Ne ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s22s22p6 K2L8 不対電子 1s2 閉殻構造 K2 1個の電子を電子スピンの向きを示す矢印で表す 閉殻構造 中性原子の電子配置 その2 主量子数n=3-4 準閉殻構造 Ne 1s22s22p6 ⇒ [Ne]と表すと （3dは空） 1、 Mg : [Ne]3s2、 Al : [Ne]3s23p1、 Na : [Ne]3s 11 12 13 ・・・、18Ar : [Ne]3s23p6 Ar [Ne]3s23p6 ⇒ [Ar]と表すと 1 2 1 2 ここから3d 19K : [Ar]4s 、20Ca : [Ar]4s 、21Sc: [Ar]3d 4s 、 軌道に入る 1s < 2s < 2p < 3s < 3p） < 4s≒3d < 4p < 5s≒4d < 5p < 6s < 4f≒5d < 6p... 第1遷移元素（金属 （3dには10個までの電子が入る） 21Sc、22Ti、23V、24Cr、25Mn、26Fe、27Co、28Ni、29Cu 特に 24Cr : [Ar]3d54s1 ( [Ar]3d44s2ではない） また 29Cu : [Ar]3d104s1 ( [Ar]3d94s2ではない） 104s2 ～ Zn : [Ar]3d 30 104s24p6 Kr : [Ar]3d 36 準閉殻構造 （4d,4fは空） 中性原子の電子配置 その3 主量子数n=5 Kr [Ar]3d104s24p6 ⇒ [Kr]と表すと 1、 Sr : [Kr]5s2、 Y: [Kr]4d15s2、 ここから4d Rb : [Kr]5s 37 38 39 軌道に入る 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s≒3d < 4p < 5s≒4d < 5p < 6s < 4f≒5d < 6p... 第2遷移元素（金属） （4dに10個までの電子が入る） 39Y ～ 47Ag 特に 42Mo : [Kr]4d55s1 ( [Kr]4d45s2ではない） また 47Ag : [Kr]4d105s1 ( [Kr]4d95s2ではない） 50Cd : [Kr]4d105s2 ～ 54Xe : [Kr]4d105s25p6 準閉殻構造 （4f,5d,5f,5gは空） 中性原子の電子配置 その4 主量子数n=6 ここから4ｆ 軌道に入る 55Cs : [Xe]6s1、56Ba : [Xe]6s2、57La: [Xe]5d16s2、58Ce: [Xe]4f26s2 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s≒3d < 4p < 5s≒4d < 5p < 6s < 4f≒5d < 6p... ランタノイド元素 72Hf 57La ～ 71Lu （4fと一部は5dに入る） : [Xe]4f145d26s2、 第３遷移元素（金属） 80Hg 57La ～ : [Xe]4f145d106s2 ～ 79Au 86Rn （主に5dに入る） （57La ～ 71Luは4fと5d） : [Kr]4f145d106s26p6 準閉殻構造 中性原子の電子配置 その5 主量子数n=7 1、 Ra : [Rn]7s2、 Ac: [Rn]6d17s2、 Fr : [Rn]7s 87 88 89 アクチノイド元素 89Ac ～ 103Lr （5fと一部は6dに入る） 92Ｕ（ウラン、アクチノイド元素）以降の元素（超ウラン元素）は、 すべて人工的に作られた。2010年現在で、原子番号118までの 元素は発見の報告がある（らしい）。 イオンの電子配置 中性原子の電子配置から、最外殻（エネルギーが最大）軌道の 電子を 取り去る → 陽イオン 付け加える → 陰イオン 2 2 6 2 → 2+ : 1s22s22p6 例 12Mg : 1s 2s 2p 3s 12Mg 22s22p63s23p4 → 2- : 1s22s22p63s23p6 S : 1s S 16 16 周期表 その１ 元素を原子番号で並べる ⇒ 性質の似た元素が周期的に並ぶ ↓ ↑ Z ⇒ 電子配置が周期的に変化する 周期表の横の並び：周期 １～７周期 （最外殻電子軌道の主量子数に一致） 縦の並び：族 １～１８族（ランタノイド、アクチノイド は別表） 同族元素 ： 性質が似ている ⇔ 最外殻の電子配置が似ている １族 ： アルカリ金属（水素以外） 最外殻の電子配置がs1 Li、Na、K、Rb、Cs、Fr s電子を一個失って、安定な閉殻構造の陽イオンとなる 周期が下になるほどｓ軌道のエネルギーが高く、わずかの エネルギーで電子が失われるので、陽イオンになりやすい 周期表 その2 ２族 ： アルカリ土類金属（Be、Mgはこの名称では呼ばれない） 最外殻の電子配置がs2 Ca、Sr、Ba、Ra s電子を2個失って、閉殻構造の２価の陽イオンとなる 16族 ： カルコゲン 最外殻の電子配置がs2 O、S、Se、Te、Po 17族 ： ハロゲン 最外殻の電子配置がs2p5 F、Cl、Br、I、At 空のp軌道に電子を１個取り込み、閉殻構造の１価の 陰イオンになりやすい 周期の上に行くほど、p軌道のエネルギーは下がるので、 電子１個を加えて、放出するエネルギーは大きく、より安定 になるため、より陰イオンになりやすい（反応性が高い） 周期表 その3 18族 ： 希ガス 最外殻の電子配置がs2p6 （Heはs2) He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn 閉殻構造（希ガス配置）で、元素同士、他元素とは極めて 反応しにくい キセノンではいくつかの化合物が知られている XeF2、XeF4、XeF6 (フッ化キセノン） XeO3 etc （酸化物） 周期表 その4 遷移元素 ： 原子番号の増加とともに主にd軌道へ電子が入り、 最外殻の電子配置がs2またはs1である。同族元素（縦の 並び）だけでなく、隣り合った元素同士が良く似た性質を 示す。 ランタノイド アクチノイド ： 原子番号の増加とともに主にf軌道へ電子が入り、 最外殻の電子配置がs2またはs1である。遷移元素のなか でもさらに隣り合った（ランタノイド、アクチノイドの中で） 性質が良く似ている。通常は周期表の外に別に並べられ ている。 f軌道は最外殻電子より内側なので、原子番号の増加に 伴う原子核電荷の増加により、電子がより原子核に引き 付けられて、原子の大きさが小さくなっていく（ランタノイド 収縮） ４．化学結合 • 原子の性質の指標：イオン化エネルギー、電 子親和力 • イオン結合 • 共有結合、分子軌道法 • 混成軌道、分子構造 • 電気陰性度と分子の分極 もう一度出席確認 レスポンスカードを用意 GO⇒4１⇒GO 今日の講義はどうでしたか 1. 興味がわかなかった 2. 少し興味が持てた 3. 興味を持って聞けた 56% を 味 興 少 し 興 味 持 っ が 持 て 聞 て た っ な か か が わ 味 興 け た 22% た 22%
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