無機化学　１　　　　　　３回　　　10/5/2012２－１章　電子・原子・原子構造、電子の配置と周期表

目的１）原子の構成粒子の種類（陽子＋中性子＋電子）

２）元素の種類と構成内容（陽子数＝電子数→元素　　　種、中性子数）

３）元素の性質の周期性と周期表

２ . １）　元素発見の歴史と原子● 元素に関する知識の蓄積と周期表（不完全）の作成１）錬金術時代からの分析化学的手法により、 18 世紀末まで約 30 種の元素２） 19 世紀に入ると、電気化学分析 ( デービー、 K, 、 Na 、 Mg 、 Sr 、 Ba 、 Ca) 、発光スペ　　クトル分析 ( 炎色反応、ブンゼン、キルヒホフ , Cs 、 Rb) などにより、半世紀強の間　　にそれまで知られていたものとほぼ同数の未知元素が発見された３）その結果、元素の分類整理が可能となり、原子量の順に並べると 8 番目ごとに　　類似の性質が現れる ( オクターブの法則 ) などの周期性が確認された４） 1869 年 メンデレーフによる 62 種元素の周期表の発表ブンゼン (1811 – 1899 ）は、ドイツの

化学者。ブンゼンバーナーを利用して、キルヒホッフと共に、分光学的方法で1860 年に Cs 、 1861 年に Rb を発見した。水酸化鉄のヒ素中毒の解毒作用の発見などを行ったが、砒素化合物のカコジルの研究によりヒ素中毒で死にかけた上、カコジルの爆発により右目の視力を失なった。

デービー

ブンゼン メンデレーフ

キルヒホフ（ Kirchhoff, 1824 - 1887 ）は、プロイセン（現在のロシアのカリーニングラード州）生まれの物理学者。電気回路におけるキルヒホッフの法則、放射エネルギーについてのキルヒホッフの法則、反応熱についてのキルヒホッフの法則は、どれも彼によってまとめられた法則である

キルヒホフ

(CH3)2As-As(CH3)2

1.元素は原子量の順に並べると明らかにその性質ごとの周期性を表す。

メンデレーフの提唱 (1869年）

4. 分子の大きさが化合物の性質を決定するように、原子量の大きさが元素の性質を 決定する。

2. 科学的特性の類似する元素はほぼ同じ原子量であるか ( 例：白金、イリジウム、 オスミウム ) 、原子量が規則的に増加する ( 例：カリウム、ルビジウム、セシウム ) 。3. 元素グループ内での原子量順に並べた元素の配列はいわゆる原子価だけでなく、あ る範囲まで、独特の化学的特性と一致する。

5. 未知の元素の発見が期待される。たとえば、共に原子量が 65 から 75 の間であり、 科学的特性がアルミニウムに類似する元素およびケイ素に類似する元素が存在する であろう（後年、該当するガリウム、ゲルマニウムが発見される）。6. 元素の原子量は原子番号順で前後する元素の原子量に関する知識により修正できる ことがある。例えば、テルルの原子量は 123 から 126 の間にあり、 128 になりえない　 元素の特徴的な特性はその原子量から予言できる。 7. 広範囲に存在している元素の原子量は小さい。

クラーク数順序の暗記法「おっしゃられて貸そうかマ」： O （お）、 Si 、 Al （しゃられ）、 Fe （て）、 Ca （か）、 Na （そう：ソーダ）、 K （か）、 Mg （マ）で 8 番目まで覚えることができ、ついでに「提供は日立」： H （ひ）た、 Ti （ち）。

クラーク数（クラークすう、 Clarke number ）とは地球上の地表付近に存在する元素の割合を火成岩の化学分析結果に基いて推定した結果を質量パーセントで表したもの。クラーク数は科学史上の学説の一つにすぎず、今日では最新の調査結果に基づいている別の統計資料を利用することが望ましい。

元素 クラーク数1 酸素 49.52 ケイ素 25.8

3 アルミニウム 7.56

4 鉄 4.705 カルシウム 3.396 ナトリウム 2.637 カリウム 2.40

8 マグネシウム 1.93

9 水素 0.8310 チタン 0.46

11 塩素 0.1912 マンガン 0.0913 リン 0.0814 炭素 0.0815 硫黄 0.0616 窒素 0.0317 フッ素 0.0318 ルビジウム 0.0319 バリウム 0.023

20 ジルコニウム 0.02

● 周期表の完全化１）周期表の隙間を埋める仕事　　●ケイ素と錫の間：　エカ - ケイ素→ Ge　　●エカ - ホウ素→ Sc 、●エカ - アルミニウム→ Ga

２）第 18 族元素（周期表に無い系）：不活性ガス、希ガス ( 単原子分子 )の発見　　●気体の液化技術と分別蒸留技術の開発による　　● 19 世紀末 Ne 、 Ar(Ar の発見は、空気から O2 と N2 を化学反応で取り除いた残 留気体の分光による ) 、 Kr 、 Xe が発見された。また、一番沸点の低いHe ( 沸 点 -268.9 , 4.18K℃ 、常圧では固体とならない）は 1868 年に太陽の輝線スペ クトル中の未知元素に命名されたもの。

● レーリー ( 英、 1842-1919) アルゴンの発見、ノーベル物理学賞● ラムゼー ( 英、 1852-1916) 不活性ガスの発見、ノーベル化学賞◎ ついで、電子（ストーニー、クルックス、ジョゼフ・トムソン）、 X 線（レントゲン：電磁波）、放射線（ベックレル）の研究が、 20 世紀の科学の出発点である原子構造につながる（キュリー、ラザーフォード・・ ,a 　 ,b 　 g 線）

電子の大きさについては、標準模型では 0とされるが、大きさを持つかどうか・内部構造を持つかどうかは判明していない

レーリー

ラムゼー

クルックス（有機化学者、分光学者（ Tl の発見）、クルックス管の開発（電子線発見）、心霊現象研究）

● 周期表の完全化3 ）周期表の隙間を埋める仕事 ○ランタノイド元素 (La ～ Lu の 15 元素 ) とアクチノイド元素 (Ac ～ Lr の 15元素 ) は、　 各 15 種の元素の化学的性質が互いに極めて類似し、発見、解明に長時間を要 した○ モーズリーの法則（ 1913 年、モーズリーは原子番号 (Z) と元素の特性 X 線の波 長 () の平方根の間に直線関係 (2.3 式、 a, Z0 は全ての元素について一定 ) を発見

　　　　　　 　　　

)(1

0ZZa

図 2.1

○ 長岡半太郎（土星型原子模型、 1904 ）→ラザーフォードの原子模型（ 1911 ） →ボーアの原子模型 (1913)

KL

MN

1. 電子衝撃により K 電子が飛び出す

2. L 電子が K 殻に飛び込む

3. 振動数の X 　 線が発生

Ka

Kb

Kg

La

Lb

Lg

hckhc

hE

: 振動数、 h：プランク定数、c：光速 , 　 λ：波長、 k：波数

プランク・アインシュタインの式

図 2.2

特性 X 線の測定により、メンデレーフの周期表が改善された。１）原子量順に並べることに伴う元素順位の逆転の訂正　　 [K( 原子量 =39.102) Ar(39.948), Ni(58.71) Co(58.9332), 　 I(126.90) Te(127.60)] 。原子番号（原子核の陽子数 = 電子数） 順に並べることで解決された [Ar(18) K(19), Co(27)Ni(28), Te(52) I(53)] 。原子番号順と原子量順の逆転は、同位元素の 存在比に原因があった。２）原子番号 92 の U より前にある周期表に空白であった元素（ Tc(43), Pm(61), Hf(72), Re(75), At(85), Fr(87) ）の発見がおこなわれた。３）ランタノイド系列の確定が行われた。1914 年にオクスフォード大学に戻って研究を続けるが、第一次

世界大戦がはじまるとイギリス軍工兵隊に所属して出征。ガリポリの戦いに参加し、同地で命令を電話連絡している際に狙撃兵に頭部を撃ち抜かれて戦死した。 27歳だった。早すぎる死がなければノーベル賞の受賞は間違いなかったといわれている。彼が戦死した事件を受けて、以後イギリスや他国の政府は自国の科学者が戦闘に従事することを禁ずるようになったと言われる。ちなみに、この戦いを指揮した当時の海軍大臣チャーチルは 1953 年にノーベル文学賞を受賞するのは、歴史の皮肉である。

ウラン以降の超ウラン元素の合成に、原子核への放射線線（ヘリウム原子核 He2+) 、線（原子核の崩壊により放出される電子）、線 (高エネルギー電磁波 ) の照射、加速器により人工的に得た高エネルギー粒子 ( 中性子、陽子、他 )の照射、 Uや超ウラン元素の中性子照射、超重元素の重イオン照射が用いられた (原子番号 93 から 114 まで）

He2+

１）線：正電荷をもつ質量の重い線は少し曲げられる。無磁場では気体中を直線的に進行し、進路に沿って多くの分子をイオン化する。

図 2.3

電子

２）線：質量が軽い負電荷の線は、線と反対の方向に大きく曲げられる。

電磁波

３）線：波長の短い電磁波で、透過力は強く、磁場の影響を全く受けない。人体に極めて危険である。

放射線 　原子核崩壊

線： He2+

「ポロニウム (Po)210 はウランの百億倍の比放射能を有するが、所詮アルファ―線だ、紙一枚でも防ぐことができる。飲み込んで体内被曝しなければ平気だ・・・傭兵代理店（渡辺裕之）

2004 年 11月に死去した PLO執行委員会議長ヤーセル・アラファートの死因も当初不明とされたが、その後病院で使用していた衣類よりポロニウム210 が検出されたことより、ポロニウムによる暗殺が疑われている

ポロニウム 210 は 99.99876％ α崩壊のみで崩壊し、崩壊過程で γ 線の放射を 0.00123％しか伴わない (殆どの α崩壊は γ 線の放射を伴う ) 。 α 線は紙一枚で遮断されるために、容器に入ったポロニウム 210 （が微量仕込まれた食品等）を、 γ 線計測により検出することは不可能であり、運搬者が被爆しない点でも放射性暗殺用薬物として適した特徴がある

リトヴィネンコ事件・・・・・・・の不正と陰謀を暴こうとしていた・・・の元中佐だったリトヴィネンコは、亡命先の英国で放射性物質のポロニウム２１０で毒殺された。「ポロニウムをもられてから２２日間リトヴィネンコは苦しみぬき、骨と皮と化し死亡（４４歳）」

昇華性があり、化学的性質は、テルルやビスマス Bi に類似する。水に溶けない。塩酸にはゆっくり溶ける。硫酸、硝酸には易溶、アルカリにはわずかに溶ける。酸化数は、− 2,+2,+4,+6価を取り得る（ +4価が安定）。

ウラン系列の過程でラドン Rn222 が崩壊することによってポロニウム 218 が生じ、更にこれが崩壊していく過程でポロニウム 214 、ポロニウム 210 が生じる。自然界に存在するポロニウムでは、ポロニウム 210 の半減期が 138.4 日と一番長い。人工的に作られるポロニウム 209 の半減期は 102 年である。全ての同位体が強力な放射能を持っている。

マリ・キュリーがポロニウムの存在を示唆した際に、ポロニウムを含む精製物がウランの 300倍の放射活性を持つと記した表現が一人歩きして、ウランの 300 から 330倍の強さの放射能を持つという表現がされることが多いが、実際にはウランの 100億倍の比放射能（単位質量当りの放射能の強さ (Bq/mol, Bq/g) ）を有し、ごく微量でも強い放射能を持つ（ただし、逆に自然界にはウランの 100億分の 1程度しか存在しない）。このため、昇華性のあるポロニウムは内部被曝の危険が大きい為厳重な管理の下で取り扱われなければならない。しかし、ポロニウムが発する α 線自体は皮膚の角質層を透過出来ないため、ポロニウムを体内に取り込まない外部被曝に関しては危険性は少ないともいえる。

α 線源や原子力電池に加えてベリリウム Be と組み合わせて中性子発生源として核兵器の起爆装置にも使われる。

Po 　 84 番元素　半金属　　（ 16族　 O, S, Se, Te, Po)

イオン化エネルギー (Ip) の周期性

● ある原子がその電子をどれだけ強く結び付けているのかの目安 ● 同一周期の中で最高のイオン化エネルギーは希ガスのも

のであり、希ガスは安定な閉殻（ closed shell ）電子配置をもつ。

●最低のイオン化エネルギーは周期表の左端にある第1 族元素のものである。これらの原子のひとつから電子1個を除くと希ガス原子と同じ閉殻電子配置を持つイオンになる。

1s 2s 2px 2py 2pz

N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑

O ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑

Be とホウ素 (B) 、窒素と酸素などではその傾向が少しだけ逆転している。この理由については原子軌道やフントの規則を考慮する必要がある。窒素原子と酸素原子を例に考える。二つの電子配置は次の表のようになる。（ IE の単位は eV ）N : 1s2 2s2 2p3 　　 IE1 ： 14.53, IE 2 ： 29.60O : 1s2 2s2 2p4 　　 IE1 ： 13.61, IE 2 ： 35.12

窒素原子より酸素原子のほうが第一イオン化エネルギーが小さいのは、 2p 軌道に入る 4 個目の電子が三重に縮重した p 軌道のいずれかの軌道に異なるスピンをもって入り、電子間の静電的な反発エネルギーが電子を不安定にするためである。

イオン化傾向（混同しないこと） 溶媒中で中性元素（原子団）がイオンになり易い順番。水溶媒でイオン化列という。

陽イオン貸そうかな、まああてにするな、ひどすぎる借金

貸そう (K) か (Ca) な (Na) 、ま (Mg) あ (Al) あ ( 亜鉛 :Zn) て ( 鉄 :Fe) に (Ni) する (Sn) な ( 鉛 :Pb) 、ひ (H) ど ( 銅 :Cu) す ( 水銀 :Hg) ぎる ( 銀 :Ag) 借 ( 白金 :Pt) 金 ( 金 :Au)

理智 (Li) ルビ (Rb) カ (K) バー (Ba) 巣と炉 (Sr) 仮 (Ca) 名 (Na) 魔具 (Mg) アル (Al) 漫画 (Mn) 合えん (Zn) 黒夢 (Cr) 鉄 (Fe) 門 (Cd)木庭 (Co) に (Ni) 鈴 (Sn) 園 (Pb) 水 (H) アンチ (Sb) 尾 (Bi) 藤 (Cu)水銀 (Hg) 銀色 (Ag) パラパラ (Pd) 白い (Pt) 金 (Au)

陰イオンのっそり王さんくるぶし痛い

の (NO3-) っそ (SO4

2-) り王 (OH-) さんくる (Cl-) ぶ (Br-) し痛 (I-) い

1 18

1H

2 13 14 15 16 17

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

*172Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

87Fr

88Ra

*2104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Rg

112Cn

113Uut

114Uuq

115Uup

116Uuh

117Uus

118Uuo

*1 ランタノイド：57La

58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

*2 アクチノイド：89Ac

90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lr

緑：気体、赤：液体、黒：固体金属元素

半金属元素

非金属元素

人工元素

アルカリ金属 アルカリ土類金属 ハロゲン 希ガス 遷移元素

カルコゲン：第 16族元素の総称（酸素を除く場合もある）

元素の分類典型元素 ( main group (block) element 、 typical element 、 representative

element) ： 1 族、 2 族、 12 族 -18 族の 47 元素。これら以外は遷移元素遷移元素 (transition element, transition metal): 3 族― 11 族の 64 元素（原子番

号 111 までに限り） d または f軌道に電子が入る。アルカリ金属（ alkali metal ）元素： 1 族中の 6 元素（ Li, Na, K, Rb, Cs, Fr ）アルカリ土類（ alkaline earth metal ）元素： 2 族中の 4 元素（ Ca, Sr, Ba,

Ra ）ハロゲン（ halogen ）元素： 17 族中の 5 元素 (F, Cl, Br, I, At)希ガス（ rare gas, noble gas ）元素： 18 族中の 6 元素（ He, Ne, Ar, Kr, Xe,

Rn)

意味のない暗記法：すいへいりーべぼくのふね、なまあるけいりんいえんある、かっかすかっちばくろーまん鉄コバルトニッケル銅亜鉛

錬金術師、化学者、物理学者、科学者、その他無数の人たちによる知の集大成である。元素の性質を簡潔かつ完成度が高く示した周期表は「化学のバイブル」とも呼ばれる。現在、周期表は化学のあらゆる分野にて、反応の分類や体系化および比較を行うための枠組みを与えるものとして、汎用的に用いられている。そして、化学だけでなく物理学、生物学、化学工学を中心に工学全体に、多くの法則を示す表として用いられる。 2011 年現在の周期表では、発見報告がなされている 118 番目までの元素を含むものが一般的であるが、未発見元素を含めた 117 番目までの元素を含む周期表も発表されている。

2.2) 原子の構成 　原子は、半径 105 ～ 104Å （ 1Å＝ 10-8 cm = 0.1 nm) の原子核を中心として電子が半径 1～ 2Å の電子軌道を廻るモデルで説明される。 原子核は陽子 (＋ 1価 ) と中性子 (0価 ) より構成され、陽子の数 Nが原子番号つまり元素を規定する。陽子の数 (+N価 ) に相当する数の電子が電子軌道に存在し原子は 0価である。

●質量 (mass)　電子 (electron)静止質量 (me = 9.1091031 Kg)　陽子 (proton: 1.67261027 Kg)や中性子 (neutron: 1.67491027 Kg) の 1/1836 ・・・原子の質量はほとんど原子核 (atomic nucleus) が決定●同位元素また同位体 (isotope) ：陽子の数が同一で、中性子の数が 異なる元素。　水素の場合　１）質量数が１の１ H(hydrogen)　２）一個の中性子が加わった重水素 ( ２ H または D ：deuterium) 、　　　３）さらに一個の中性子が加わった三重水素 ( ３ H または T ：tritium) 　　D は自然の水素中に 1/3500～ 1/5000含まれている。 T は自然界にも存在するが、主に核反応により人工的に作られる放射性(radioactive) 元素である。

– 電子

中性子

陽子+原子核

水素 1H 、重水素 2H(D) 、三重水素 3H(T) の構成

+

–

+

–

+

–1H 2H(D) 3H(T) 図 2.4

図 2.15 ｓ軌道

図 2.16 ｐ軌道

図 2.17 ｄ軌道

電子の軌道（ s軌道、 p軌道、 d軌道、 f軌道 )

図 2.18 　電子収容の順序。左肩上がりの矢印に沿って s 、 p 、 d 、 f軌道に 2個、 6個、 10個、 14個づつ詰める

n殻

l = n1,･･･ 0

m=0,1,••l 　軌道数 2l+1

総軌道数n2

殻に入る総電子数2n2

総電子数

1 K 0 1s 0 1 1 2 2 H,He2 L 0 2s

1 2p01,0

13

4 8 10 Li~Ne

3 M 0 3s1 3p2 3d

01, 02, 1, 0

135

9 18 28 Na,MgAl~Ar

4 N 0 4s1 4p2 4d3 4f

01, 02, 1, 03, 2, 1, 0

1357

16 32 60 K, Ca

5 O 0 5s1 5p2 5d3 5f4 5g

01, 02, 1, 03, 2, 1, 04, 3, 2, 1, 0

13579

25 50 110

表 2.4 　 l =0,1,2,3,4 の軌道をs(sharp), 　p(principal),d(diffuse),f(fundamental)軌道とする。 4f 軌道、 5f 軌道が未閉殻の元素がランタノイド、アクチノイドである。

電子の詰まり型（電子配置）　　パウリの排他原理＋フントの規則

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原子 水素

分子 炭素

陽子 窒素

中性子 酸素

電子 重水素

原子核 ３重水素

原子量 鉄

元素 アルカリ金属

スピン アルカリ土類

周期表 ハロゲン

同位体 希ガス

放射性 遷移金属

閉殻 気体

無機化学 液体

イオン化エネルギー 固体

無機化学　基本単語　１　（３０語）