孤立した気体原子およびイオンの基底状態の電子配置

ハンズのルール。パウリスの排除原理。 Aufbau 校長。第一イオン化エネルギー。グループ 1 からグループ 2 へ。グループ 5 からグループ 6 へ。 D5 と D10 のさらなる安定性。

原子の構造をよく知っておく必要があります。原子の構造では、電子は原子核の周りのエネルギーレベルまたは殻に配置されています。電子の数が増えると、原子核の周りの殻の数も増えます。原子核に最も近い殻は最も低いエネルギーレベルを表します。各殻にいくつの電子を充填できますか?。それは2n²という式で知ることができます。 n はシェルの番号を表しますn は 1、2、3、4 などです。

電子はまず最低エネルギーレベルに充填され、次により高いエネルギーレベルに充填され、というように続きます。各シェルにはさらに、s、p、d、f で表されるサブシェルがあります。 s、p、d、f サブシェルにはそれぞれ 2、6、10、14 個の電子が含まれます。

さらに、各サブシェルには軌道が存在します。軌道には最大 2 個の電子を充填できます。各軌道には最大 2 個の電子が占有できるため、各サブシェルの電子保持容量を計算できます。これは、各サブシェルの軌道の数を 2 倍することで行います。この場合、s サブシェルには 2 個の電子、p サブシェルには 6 個の電子、d サブシェルには 10 個の電子、f サブシェルには 14 個の電子が存在できます。

アウフバウの原理は、軌道またはサブシェルのエネルギーと、電子が低いエネルギーレベルから満たされるという原理に基づいています。電子の充填は軌道のエネルギーの増加順に起こります。どの軌道のエネルギーが最も低いか、または最も高いかはどうやってわかるのでしょうか?。このためには、式 (n+ l) を理解する必要があります。ここで n は殻の数を表す主量子数です。 lは軌道量子数であり、その値は次のように与えられる l=n-1。 n + l の値が最小の軌道が最初に埋められます。この図に示すように、軌道のエネルギーの増加順序も予測できます。 1sエネルギーが最も低いため、最初に満たされます。それから 2s、 2p、 3s、 3p、 4s、 3d、 4p、 5s、 4d、 5p、 6s、 4f、 5d、 6p、 7sなど、軌道のエネルギーの昇順に従って埋められます。アウフバウの原理は水素原子のような単一電子系には適用されない He+そして Li+2イオン。

軌道のエネルギーの順序を理解した後、フントの規則に進みます。この規則は電子のペアリングに基づいています。 s 軌道に見られるように、各軌道には 2 個の電子を含めることができます。この規則によれば、電子は可能な限り非対状態を維持することを好みます。サブシェル内の電子は、サブシェルのすべての軌道が平行スピンで半分満たされている場合にのみペアになります。

パウリの排他原理は、2 つの電子が軌道内に正しく満たされる方法について説明しています。この原理によれば、各軌道には反対のスピンを持つ 2 つの電子を収容できます。軌道内の 2 つの電子は、同じ 4 つの量子数のセットを持ちません。

電子のスピンはスピン量子数で表されます。 -1/2 は下向きのスピンまたは反時計回りのスピンを表し、+1/2 は上向きのスピンまたは時計回りのスピンを表します。

カルシウムを例に、電子を満たすためのすべての原理と規則を適用してみましょう。カルシウムの原子番号は20です。したがって、カルシウムの電子配置は 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²。カルシウムの最初の 2 つの電子は 1s 軌道に収まります。カルシウムの次の2つの電子は 2s軌道。それから 2p、 3s、 3pそして 4sすべての原則を適用して軌道が埋められます。

サブエネルギーレベルの昇順は、図のように示されます。

n+l の式によりエネルギーレベルの増加順序が得られました。この順序を昇順で表すと、次のように表すことができます。

イオン化エネルギーは、原子の最外殻または価電子殻から電子を除去するために必要なエネルギーです。第一イオン化エネルギーは、価電子殻から最初の電子を除去するために必要なエネルギーです。それは原子の半径に反比例します。半径が大きいほど、イオン化エネルギーは小さくなります。これは価電子が原子核から遠く離れているためです。したがって、電子を除去するのに必要なエネルギーが少なくなるため、電子を除去するのが容易になります。

イオン化エネルギーは周期表の周期に沿って増加します。これは、殻の数が一定であるため、周期表の周期に沿って原子半径が減少し、核電荷が増加するためです。ヘリウム、ネオン、アルゴンは完全な原子価殻を持っています。このため、電子を除去することは困難です。実際、それらは最も高いイオン化エネルギーを持っています。

リチウム、ナトリウム、カリウムは最外殻に電子が 1 個しかないため、イオン化エネルギーが最も低くなります。価電子殻に 1 個または 2 個の電子を持つ原子は簡単に除去できます。したがって、イオン化エネルギーは小さくなります。価電子殻に多くの電子を持つ原子はすべて、電子を除去するためにより多くのエネルギーを必要とします。

d5 および d10 サブシェルの追加の安定性について説明します。完全に満たされた d サブシェル、またはちょうど半分満たされた d サブシェルは、特に安定しています。この安定性を得るために、d5 または d10 に 1 個の電子が不足している原子またはイオンは次のことを行います。最もエネルギーの高い s サブシェルから満たされていない d サブシェルに電子を移動します。半分満たされた d 軌道と完全に満たされた d 軌道は同じエネルギーを持ちます。したがって、これらは縮退軌道であると考えられます。

軌道のエネルギーが同じであり、電子の分布が対称的であるため、同じサブシェルの異なる軌道にある電子は位置を交換します。この交換により、交換エネルギーと呼ばれるエネルギーの一部が放出されます。これにより原子はより安定します。したがって、半分満たされた軌道と完全に満たされた軌道はより安定します。

それらの安定性は交換エネルギーと対称性によるものです。これらの軌道は他のどの構成よりも対称性が高く、安定性が向上します。たとえば、クロムは、記号 Cr で原子番号 24 の化学元素です。その電子配置は次のように書ける 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s²。しかし、この電子配置は 3d 軌道の不安定性のために正しくありません。

半分充填されたサブシェルと完全に充填されたサブシェルは、安定性がさらに高まります。したがって、 4s²電子は 3d⁴それを作るために軌道に乗る 3d⁵半分埋まっています。これにより、正しい構成は次のようになります 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹。

ここで、グループ 2、3、5、6 の異常について説明します。グループの最初のメンバーに異常な動作が見られます。すべての最初のメンバーは特性が異なり、他のグループの他の要素と対角関係を示すことがよくあります。グループ2のメンバーの場合ベリリウムは他の元素に比べて異常な挙動を示します。アルミニウムとの対角関係も示しています。第 3 族元素の中で、ホウ素は同族の他の元素よりも特異な特性を示します。シリコンとの対角関係を示します。

周期表の2A族はアルカリ土類金属です。それらはベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムです。周期表の 3A 族には、半金属のホウ素のほか、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムなどの金属が含まれます周期表の5A族は pnictogen。それらは、非金属の窒素とリン、半金属のヒ素とアンチモン、金属のビスマスです。周期表の6A族は chalcogens。それらは、非金属の酸素、硫黄、セレン、半金属のテルル、金属のポロニウムです。

ベリリウムとアルミニウムの電荷対サイズ比は同じであるため、ベリリウムはアルミニウムと対角関係を示します。アルミニウムと同様に、ベリリウムも金属表面に酸化物層が存在するため、酸と反応しません。アルミニウムと同様に、ベリリウム酸化物は過剰なアルカリに溶解する可能性がある [Be(OH)4]-2。これら両方の元素は強塩基中でオキソアニオンを形成します。これらは両方とも、水素化物と塩化物にブリッジ結合を持っています。両性酸化物が含まれています。これらの酸化物は非常に硬く、融点が高いです。すべてのベリリウム化合物と一部のアルミニウム化合物は共有結合性を持っています。

ホウ素はシリコンと対角関係を示します。シリコンのような固体の酸性酸化物を形成します。ホウ酸は本質的に両性ですが、ケイ酸のような弱酸です。これらには、結合間の共有酸素原子に基づく広範囲のポリマーホウ酸塩およびケイ酸塩が含まれます。これらは両方ともガス状酸化物を形成します。第 5 族の窒素の異常な挙動は、窒素が本質的に気体であるのに対し、他の元素は固体であることを示しています。この元素は、同グループの他の元素とは異なり、サイズが小さく、イオン化エネルギーが高いという特徴があります。価電子殻に d 軌道が存在せず、それ自身とパイ-パイ結合を形成できるため、異常な性質を持っています。これは二原子元素ですが、他の元素は四原子元素です。 d軌道が存在しないため、配位結合を形成しません。

ここで、6族酸素の異常な挙動について説明します。酸素は、第6族の他の元素よりもサイズが小さいです。電気陰性度が高く、価電子殻に d 軌道が存在しません。他の物質は室温では固体ですが、これは非金属で気体です。同様のサイズの元素と複数のπ-π結合を形成します。酸素は常磁性ですが、他の物質は反磁性です。 H2O では強力な水素結合が形成されますが、これは H2S では形成されません。

異常な動作は、以下の理由により発生する可能性があります。異常な動作を示す要素は、そのグループの他のメンバーと比較してサイズが小さくなります。また、グループの他の元素と比較して、電気陰性度とイオン化エネルギーも高くなっています。サイズが小さく、イオン化エネルギーが高いため、電荷と半径の比が大きくなります。それらの原子価殻には d 軌道がありません。それが彼らが異常な行動を示す理由です。

周期表での位置を確認するための元素の電子配置 - セッション 1

孤立した気体原子およびイオンの基底状態の電子配置

ハンズのルール。 パウリスの排除原理。 Aufbau 校長。 第一イオン化エネルギー。 グループ 1 から グループ 2 へ。 グループ 5 から グループ 6 へ。 D5 と D10 のさらなる安定性。

ハンズのルール。パウリスの排除原理。 Aufbau 校長。第一イオン化エネルギー。グループ 1 からグループ 2 へ。グループ 5 からグループ 6 へ。 D5 と D10 のさらなる安定性。