理工学部無機化学ノート

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えりかたかひ
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2 周期表と元素の性質の周期性電子配置通常の長周期型周期表非金属元素と金属元素 e Cs Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Ds Rg Cn Fl Lv 元素の大半は金属元素である 14 族や 15 族は周期が下がるにつれ性質が大幅に変化することが分かる La Ce Pr Nd Pm

1 2 周期表と元素の性質の周期性電子配置通常の長周期型周期表非金属元素と金属元素 e Cs Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Ds Rg Cn Fl Lv 元素の大半は金属元素である 14 族や 15 族は周期が下がるにつれ性質が大幅に変化することが分かる La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu 超長周期型周期表 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Ds Rg Cn Fl Lv e 短周期型周期表 I 1 II III IV V VI VII O 2e Li Be B C N O F Ne 11Na Mg Al Si P S Cl Ar VIII 電子配置原子の長岡 - ボーアの模型 19K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br 6Kr 7Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I 54Xe 55Cs Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At 86Rn 87Fr Ra 89-2 核 K L M N 構成原理 building-up principle フントの規則

さまざまな元素の性質と周期性電気陰性度 Allred, Rochow の値 4.5 4.5 2.5 2 1.5 1 0 1 5 9 1 17 21 25 29 7 41 45 49 5 57 61 65 69 7 下記の数字 ( 各元素に 2 つずつ ) は何を表すでしょうか数値は目安です 7.40 E7 Li 44 00 Na (2E8) K 0 (5E7) Be 0 60 Mg.

6 6E6 Tc 60000 E- Re 1700 5 Fe 0.1 7E8 Ru 0 0.1 Os 0.06 Co 17000 Rh 0000 Ir 000 Ni 7 5E5 Pd 000 24 Pt 0 0 Cu 1.5 6E6 Ag 00 000 Au 100 1 Zn 5E6 Cd 27 g 9.0 8000 原子番号 B C 00 1 (1E6) (1E) Al 1.8 1.

2 さまざまな元素の性質と周期性電気陰性度 Allred, Rochow の値下記の数字 ( 各元素に 2 つずつ ) は何を表すでしょうか数値は目安です 7.40 E7 Li Na (2E8) K 0 (5E7) Be 0 60 Mg.2 E5 Ca 200 (1E8) Rb Sr (1E5) Cs Ba (20) (6E6) Sc 0.05 Y 600 Ti 55 (E6) Zr 15 (7E5) f 600 V Nb 70 0 Ta 800 Cr 8. (1E7) Mo W 例えば 2E5 は 2 5 を表すカッコ付は化合物を表す Mn 1.6 6E6 Tc E- Re Fe 0.1 7E8 Ru Os 0.06 Co Rh 0000 Ir 000 Ni 7 5E5 Pd Pt 0 0 Cu 1.5 6E6 Ag Au Zn 5E6 Cd 27 g 原子番号 B C 00 1 (1E6) (1E) Al E6 Ga In Tl 0 Si 15 5E5 Ge Sn 1 1.6E5 Pb 0.6 E6 N 4E7 P E8 As 60 (E4) Sb 60 Bi 000 O 1.8 1E8 S 0.1 5E7 Se Te F 80 (5E6) Cl 2E8 Br E5 I e Ne 1 Ar 7E5 Kr Xe 0.6 Po At Rn La 80 Ac Ce Th 22 (E4) Pr 00 2 Pa Nd U 45 (E4) Pm Np Sm Pu 4E6 20 Eu Gd 0 Tb 000 Dy o 8000 Er Tm Yb 00 Lu 700 Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

3 補足説明プリントの図に示すような周期表は長周期型と呼ばれ現在普通に使われるものである縦の列を族と言い横の列を周期というたとえば炭素は第 2 周期 14 族の元素である族の番号の付け方は変遷しており以前は 1A,2A 8, 1B, 2B 7B, 0 などと呼ばれていた大昔の本を見るときは注意なお最初の表のうち第 7 周期の元素などはほとんど天然には存在しない放射性の元素である Rf 以降は微量しか得られていないもので単体は恐らく固体と考えられている最も近年認められたのは 114 Fl フレロビウムと 116 Lv リバモリウムで 2012 年 5 月に国際機関により認定された s ブロック元素 e Li Be d ブロック元素 B C N O F Ne Cs Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Ds Rg Cn Fl Lv La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu p ブロック元素このように s ブロック p ブロックなどの名前が付いていてこれは電子配置にもとづく s ブロックと p ブロック元素を典型元素 d と f ブロック元素を遷移元素という f ブロック元素資料の最初の図は単体が金属か非金属かを分類したものであるこれは目安程度に見てもらいたいなぜなら圧力や温度が変わると金属だったものが非金属になったり逆の場合になったりするからである例えばスズは金属と思っているであろうが低温 (1 以下 ) では放置すると半導体に変化する概ね周期表の右上側の元素が非金属であることが分かろう右の周期表は標準状態で気体液体固体を分類したものである標準状態 (0 1atm) で大半の元素は固体であり気体の元素は貴ガス ( 希ガス ) を除くとわずかであることが分かる液体は臭素と水銀のみドミトリメンデレーエフ (4 年 -17 年 ) はロシアの化学者であり当時知られていた 60 種ほどの元素を並べると周期的に似た性質の元素が来ることから元素の周期律を発見し周期表を提案した当時周期表には空白の部分がありメンデレーエフは未発見の元素があると考えた例えばケイ素の下にあたる部分の元素がそれで彼は表の近辺の元素の性質からその未知の元素 ( エカケイ素と名付けた ) の原子量密度色化合物の組成などを予言しその後発見された元素 ( ゲルマニウム ) の性質が見事に予測と一致していたというのは有名な話であるこれらの元素の性質の周期性は電子配置と密接に関係している e Cs Ba f Ta W Re Os Ir Pt Au g Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh s Mt Ds Rg Cn Fl Lv La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy o Er Tm Yb Lu 電子配置電子の軌道については次回の講義で詳しく勉強するがここで電子配置を簡単に復習しておこう長岡半太郎ボーア模型によれば電子は原子核の周りを回っておりしかもいくつかの殻 ( 軌道 ) に分かれて分布していると考えられていたこの殻は内側から K 殻 L 殻 M 殻と名付けられそれぞれに入る電子数の上限値は表のようになっている ( 高校時代に習ったとおり ) さらに細かくそれぞれの殻を見ていくと K 殻は 1s 軌道と呼ばれる軌道からできており L 殻は 2s と 2p 軌道からできているなどということが分かったのである 2p 軌道は 2p x 2p y 2p z というつの軌道からできているため L 殻には全部で 4 つの軌道があることになるその他の軌道については表を見よこれらの軌道には最大 2 個の電子を収容することができるが軌道のエネルギー ( 正確には軌道に入った電子のエネルギー ) は異なっている電子はエネルギーの低い軌道から順に 2 個ずつ入っていくのであるこれが構成原理 ( この日本語はどうも気に入らないけど building-up principle の訳語 ) と呼ばれているものであるこの際フントの規則 ( 同じエネルギーの軌道が複数ある場合はまず別々の軌道にスピンの向きをそろえて入っていくこと ) が適用される

4 元素の性質の周期性と電子配置元素単体のイオン化エネルギー電気陰性度融点原子半径イオン半径などは原子番号の順に周期的に変化することが分かる例えば第 2 周期元素 (Li-Ne) の第一イオン化エネルギー (1 つの電子を原子から取り除いて陽イオンにするために必要なエネルギー ) が原子番号と共に増大していくのはそれらの元素の最外殻の電子数が 1 8 に増大していくことと関係している負の荷電を持った電子は正の荷電を持った原子核に静電気力によって引きつけられているイオン化エネルギーは電子を原子核から引き離すのに必要なエネルギーであるから原子核に強く電子が引きつけられているほどそれは大きくなると考えられる原子番号が大きいほど原子核の正電荷は大きくなり電子が原子核に引き寄せられる力は大きくなると考えられるだろうそのためにイオン化エネルギーは大きくなっていくただし今述べたことは同一周期内の原子に限られる例えば第周期元素のナトリウムになると陽イオンになるときに引き抜かれるべき電子は第 2 周期元素の場合の最外殻 (L 殻 ) よりも外側の M 殻に存在する M 殻から見ると原子核は L 殻の電子によって覆い隠された格好になっていて ( 遮へいされているという ) L 殻上の電子に比べると M 殻上の電子は原子核に引きつけられる力がはるかに弱くなっているそこでナトリウムの第一イオン化エネルギーは小さくなるのであるこのように外側の殻に存在する電子に対する原子核の正の荷電の影響は内側の殻の電子に比べると小さくなっているのでこれを考慮してそれぞれの電子が感じる原子核の電荷を見積もったのが有効核電荷と呼ばれるものである外側の殻上の電子から見た原子核の有効殻電荷は実際の殻電荷 (= 原子番号 ) よりはずっと小さくなっているホウ素や酸素のところでイオン化エネルギーが少し変則的に変化していることも有効核電荷の考え方で説明できる原子半径についてもおおざっぱに考えると電子と原子核の引き合いが強いほど原子の大きさが小さくなると思われるので同周期内では原子番号と共に原子半径は小さくなることが理解できるなお電子親和力は元素が電子を 1 つ受け取る時に放出するエネルギーであり陰イオンになりやすい元素はこれが正の大きな値となる本によってはこの電子を受け取る反応の際のエンタルピー変化を電子付着エンタルピーなどと呼んでおりこれは電子親和力の値の符号を逆にした値となる電子親和力は下の表に示すおおざっぱには周期表の右側の元素ほど大きいと考えられる電子親和力の値 l m <O , <O So Ti V Cr Mn Fo 00 Ni Cu Zn Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 電気陰性度は原子が電子を引きつけようとする力の尺度を表したもので本来はかなり定性的なものであるイオン化エネルギーが大きいと陽イオンになりにくく ( 電子を放出しにくく ) また電子親和力が大きいほど電子を受け取りやすいよってこれら二つのエネルギーはいずれも大きいほど電気陰性度の大きな元素と考えることができる従って周期表の右端の元素は電気陰性度が大きくなる電気陰性度の大きな元素は電子を獲得して陰イオンになりやすく逆に電気陰性度の小さな元素は電子を放出して陽イオンになりやすい Alled と Rochow による電気陰性度の値 e Ne Qr Kr Xe Rn Rf Db Sg Bh s Mt s p d f 軌道の数 K 殻 1s L 殻 2s 1 2p 4 8 M 殻 s 1 p d 5 9 N 殻 4s 1 4p 4d 5 4f 収容可能電子数

5 電気陰性度の概念は今後化学を学ぶ上で非常に重要である化学結合の種類や反応のタイプを予測する際に非常に役に立つ例えば電気陰性度の差の大きな 2 つの元素が結合する場合はイオン結合になりやすくそうでない場合は共有結合になりやすい等である電気陰性度の決定方法はさまざまな方法が提唱されてきた表には Alled と Rochow の数値を示した 2 ページ目の最後の表は各元素単体の価格と世界の生産量を示したものである価格は 99.5% 純度の単体について kg あたりの US$ 価格 (1984) (Elsevier's periodic table of elements よりメチャクチャデータは古いので目安だと思ってください特に貴金属の価格は景気に左右されるたとえばリーマンショック後 Rh の価格は 1/ になった ) 生産量はおおむね年代のデータで 1 年間の元素単体換算でのトン単位の量である (J. Emsley, "The elements. rd Ed." Clarendon press, 1998) カッコ付きの数値は単体でなく原料化合物の値なので参考までに見てくださいこれらの値はアカデミックな観点からはどうでもいいように思うかもしれないが研究上はある意味きわめて重要である問題 1. いくつかの原子の電子配置を書いてみよ 1s 2 2s 2 2p n のように 2. 周期表において s p d f ブロック元素とは何か? 周期と族とは?. イオン化エネルギーや原子半径は周期表でどちらが大きいかそれはなぜか 4. 電子親和力電気陰性度の定義は?

1 1 H Li Be Na M g B A l C S i N P O S F He N Cl A e K Ca S c T i V C Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se B K Rb S Y Z Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb T e

No. 1 1 1 H Li Be Na M g B A l C S i N P O S F He N Cl A e K Ca S c T i V C Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se B K Rb S Y Z Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb T e I X e Cs Ba F Ra Hf Ta W Re Os I Rf Db Sg Bh