遷移元素の価電子の謎。。大学の化学が分かる!

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すいへーりーべーぼくのふね。ななまがるしっぷすくらーるかっか。

原子番号21番目までの覚え方です。この21番目の電子までは価電子は規則通り族番号の下一桁でわかりやすかったのですが、21番目以降の遷移元素といわれる元素ではなぜかこのルールが適用されません。

今回はこの謎について化学系の私ができる限り簡単に説明したいと思います。

必要な前提知識

  • 原子軌道
  • 遮蔽・貫入

原子軌道

大学に入ったら、K殻やL殻のような表現は使わず、1s軌道.2s軌道.2p軌道…といったように表します。

K殻=1s軌道

L殻=2s軌道・2p軌道

M殻=3s軌道・3p軌道・3d軌道

といったように別の呼び方で呼ばれるようになります。

sがついた軌道は電子が2つ

pがついた軌道は電子が6つ

dがついた軌道は電子が10入ります。(規則性はわかったかな?)

上の図はNの電子配置をあらわしたものです。

電子は大学では矢印↑で表されます。

−(横棒)一つに電子が二つはいることができます。

なるべく一つの横棒に二つの電子が入らないように電子を配置していきます。

1s<2s<2p<3s<3pのように軌道の不安定さが増していきます。なので、電子は安定な軌道から順に配置されていきます。

遮蔽・貫入

先ほど、説明した1s・2s軌道はこのような球の形をした軌道をしていて、この中を電子が動いていると考えて大丈夫です。2s軌道の方が1s軌道より大きいです。

まず、遮蔽の説明ですが1s軌道の外にある、別の軌道の電子が核に引き付けられるときに内側にある電子の反発が発生して、核の引き付ける力が相殺されて弱くなります。

この現象が遮蔽という現象です。

遮蔽が起こると電子が引き付けられる力が弱くなり、不安定になります。

つぎは。貫入の説明です。

1s軌道と2s軌道について考えます。

2s軌道は1s軌道の青い球の中にも電子が存在することができます。なので、青い球の中に存在しているとき外側に存在しているときに比べて電子の反発が弱くなり、より核に引き付けられます。

なので、貫入という現象が起きると電子は安定します。

なぞの解明✨

先ほど説明した通り、電子は1s→2s→2p→3s→3p→3d→4s→4p..といったように、アルファベットについている数字が小さい順に入っていくのですが、

K,Caの時だけは4s→3dのように順序がひっくり返るのです。

 

この現象を説明してくれるのが、先ほど説明した「遮蔽・貫入」が解明してくれます。

4s軌道に電子が入ることで、4s軌道はその球型のため貫入をしやすくなり、遮蔽の効果を受けにくくなります。そのため、軌道の電子がしっかり核に引き付けられ、安定した軌道となり、遷移元素の電子はより安定な4s軌道へ入っていきます。

しかし、4s軌道が満たされ、次に3d軌道に電子が入っていくとなると、3d軌道の電子によって4s軌道の電子に対して遮蔽が起こり、4s軌道のエネルギーが不安定になります。

ここから、ルール通り3d→4sのエネルギー順位に代わります。

なので、スカンジウムの価電子数は2になります。

高校の電子配置の言い方でいえば、K殻で2・L殻で8・M殻で9・N殻で2という感じになります。

次の元素からは3d軌道に次々電子が入ってくるのですが、

Cr(クロム)は要注意です。

上のクロムの電子配置を想像した人は残念違います。。

真のクロムの電子配置は

となります。

閉殻は安定になるのと同じように半閉殻も安定になるなるのですが、

エネルギーの高い4s軌道の閉殻を優先するより、安定な3d軌道をより安定にさせるように電子が動きます。なので、クロムは価電子1つで、K殻2L殻8M殻13N殻1になります。

次のマンガンは3d軌道の半閉殻を保つために4s軌道に入ります。

銅の電子配置もクロムの電子配置と同じ現象が起きます。

このような理由で遷移元素は価電子がどんどん増えていかず1や2を持ちます。

わかっていただけたでしょうか??疑問な点があったらコメントで教えてください👍

 

 

 

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