最初の 30 個の要素の電子構成
電子構成
の 原子または分子内の電子の分布は、その「電子配置」と呼ばれます。 これは、電子が占めるエネルギー準位と軌道を定義します。元素の原子番号は、原子核内の陽子の数に相当し、元素の電子配置を決定します。
各シェルとサブシェル内の電子の量は通常、1s 2s などの一連の数字と文字で表されます。 2 2P 6 、原子の電子配置を記述するとき。電子のエネルギーレベルまたはシェルに相関する主量子数は、シーケンスの最初の数値で表されます。角運動量子数は、主量子数の後のどの文字が電子のサブシェルまたは軌道を表すかを決定します。
原子のエネルギー準位および軌道内の電子の配置を示す軌道図または電子殻図も、原子の電子配置を表すために使用できます。各軌道は軌道図のボックスまたは円で表され、各電子はそのスピンを示す上向きまたは下向きの矢印で表されます。
原子の電子構造は、元素の化学的および物理的特性の多くを決定する上で重要な役割を果たします。たとえば、原子の反応性、結合特性、化学反応に参加する能力はすべて、その電子の量と配置によって影響されます。原子から電子を取り出すのに必要なエネルギー量はイオン化エネルギーとして知られており、これも原子の電子配置によって決まります。
原子番号の昇順に並べられた元素のリストである周期表上の元素の位置は、元素の電子配置を使用して予測することもできます。周期表は、同等の電子配置と同等の特性を持つ元素をグループ化します。
パウリの排他原理は、原子内の 2 つの電子が同じ量子数セットを持つことはできないと主張し、原子の電子配置を決定します。 したがって、原子内の各電子は異なるエネルギー準位と軌道に存在する必要があり、各軌道には反対のスピンを持つ一対の電子しか収容できません。
さまざまな分光法を使用して、原子の電子配置を直接確立できます。たとえば、基底状態にある原子の電気的配置は、元素の発光スペクトルを使用して決定でき、原子内の電子のエネルギー レベルは、元素の吸収スペクトルを使用して決定できます。
結論として、原子の電子配置はその構造の基本的な構成要素であり、その多くの化学的および物理的特性に影響を与えます。元素の原子番号はその電子配置を決定し、一連の数字と記号、軌道図、または電子殻図として示すことができます。パウリの排他原理は、分光法を使用して実験的に見つけることができ、原子の電子配置を決定します。
電子構成は次の場合に役立ちます。
- 元素の価数を計算します。
- 元素のグループの特性を予測します (同様の電子配置を持つ元素の特性は同一であることがよくあります)。
- 原子スペクトルを分析しています。
電子構成の書き方
貝殻
主量子数に基づいて、殻に収まる電子の最大数 (n) を計算できます。その式は 2n です 2 ここで、n はシェル番号です。以下の表は、シェル、n 値、および適合できる電子の総数を示しています。
| シェルと「n」値 | 殻内に存在する最大電子数 |
|---|---|
| K シェル、n=1 | 2*1 2 = 2 |
| L シェル、n=2 | 2*2 2 = 8 |
| M シェル、n=3 | 23 2 = 18 |
| N シェル、n=4 | 2*4 2 = 32 |
サブシェル
- 方位量子数 (文字「l」で表される) は、電子が分割されるサブシェルを決定します。
- 主量子数 n の値によって、この量子数の値が決まります。結果として、n が 4 に等しい場合に存在できる 4 つの異なるサブシェルが存在します。
- n=4の場合。 s、p、d、および f サブシェルは、それぞれ l=0、l=1、l=2、および l=3 に対応するサブシェルです。
- 方程式 2*(2l+1) は、サブシェルが最大容量で保持できる電子の数を示します。
- したがって、s、p、d、f サブシェルに収まる電子の最大数は、それぞれ 2、6、10、14 個になります。
表記
- サブシェルラベルを使用して、原子の電子配置を記述します。これらのラベルには、サブシェル番号と、主量子数によって決定されるシェル番号が含まれます。
- 指定 (方位角量子数によって提供される) と、上付き文字でサブシェル内の電子の総数。
- たとえば、表記は「1s」になります。 2 ' 最初の殻のサブシェルに 2 つの電子があった場合。
- アルミニウム（原子番号13）の電子配置は1sで表すことができます。 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 1 これらのサブシェル ラベルを使用します。
原子軌道を埋めるために、アウフバウ原理、パウリ排他原理、およびフント則が使用されます。これらのガイドラインは、電子がアクセス可能な軌道をどのように占めるかを決定するのに役立ちます。
構造原理:
アウフバウの原理によれば、電子はエネルギーが増加する方向に軌道を占有します。これは、電子が高エネルギーの軌道を満たす前に、まず低エネルギーの軌道を満たすことを示しています。周期表を使用すると、軌道のエネルギー準位を順番に決定できます。軌道のラベルは文字と数字の組み合わせです。文字は軌道の形状またはサブシェル (s、p、d、f) を示し、数字は軌道のエネルギー レベルを定義する主量子数 (n) を示します。軌道。
パウリの除外原則:
パウリの排他原理によれば、原子内の 2 つの電子は 4 つの量子数 (n、l、ml、ms) の同じ集合を持つことはできません。各軌道に収まる電子の最大数は 2 つで、それらは逆のスピンを持っていなければなりません。
犬のルール:
フントの法則によれば、電子は縮退軌道（同じエネルギーを持つ軌道）を満たすとき、まず同じスピンを持つ別々の軌道に存在します。したがって、縮退軌道内の電子は常に総スピンを最大化しようと試みます。
原子軌道の充填順序は、これらの原理を使用して確立できます。
軌道は次の順序で埋められます。
- 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s、5f、6d、7pなど
- これを説明するために、炭素の充填を例として取り上げます (原子番号 6)。炭素には 6 つの電子が存在し、上記の方法でアクセス可能な軌道を占有します。
- 1s 軌道は最初の 2 つの電子によって満たされます。 2s 軌道は次の 2 つの電子によって満たされます。 3 つの可能な 2p 軌道のうち 2 つは、残りの 2 つの電子がそれぞれ 1 つの電子によって占有されます。炭素は電子構造 1s を持ちます 2 2秒 2 2P 2 。
結論として、アウフバウの原理、パウリの排他原理、およびフントの法則はすべて、原子軌道がどのように満たされるかを制御します。これらの規則の結果、各元素は電子の異なる構成を持ち、電子が利用可能な軌道を占める順序を決定するのに役立ちます。
最初の 30 個の元素の電子配置 (原子番号の増加順):
| はい・いいえ | 要素 | 電子構成 |
|---|---|---|
| 1 | 水素 | 1秒 1 |
| 2 | ヘリウム | 1秒 2 |
| 3 | リチウム | 1秒 2 2秒 1 |
| 4 | ベリリウム | 1秒 2 2秒 2 |
| 5 | ボロン | 1秒 2 2秒 2 2P 1 |
| 6 | 炭素 | 1秒 2 2秒 2 2P 2 |
| 7 | 窒素 | 1秒 2 2秒 2 2P 3 |
| 8 | 酸素 | 1秒 2 2秒 2 2P 4 |
| 9 | フッ素 | 1秒 2 2秒 2 2P 5 |
| 10 | ネオン | 1秒 2 2秒 2 2P 6 |
| 十一 | ナトリウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 1 |
| 12 | マグネシウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 |
| 13 | アルミニウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 1 |
| 14 | ケイ素 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 2 |
| 15 | リン | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 3 |
| 16 | 硫黄 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 4 |
| 17 | 塩素 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 5 |
| 18 | アルゴン | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 |
| 19 | カリウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 4秒 1 |
| 二十 | カルシウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 4秒 2 |
| 21 | スカンジウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 4秒 2 3D 1 |
| 22 | チタン | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 2 3D 2 |
| 23 | バナジウム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 2 3D 3 |
| 24 | クロム | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 1 3D 5 |
| 25 | マンガン | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 2 3D 5 |
| 26 | 鉄 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 2 3D 6 |
| 27 | コバルト | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 4秒 2 3D 7 |
| 28 | ニッケル | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3P 6 4秒 2 3D 8 |
| 29 | 銅 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 1 3D 10 |
| 30 | 亜鉛 | 1秒 2 2秒 2 2P 6 3秒 2 3p 6 4秒 2 3D 10 |
電子設定が不可欠である理由の一部を以下に示します。
1. 化学反応性
原子の化学反応は、その電子配置によって決まります。電子配置は、元素間の反応を引き起こして化合物を生成するものです。原子が他の原子と化学結合を形成するために電子をどのくらい簡単に獲得、喪失、または共有できるかは、価電子殻として知られる最も外側のエネルギー準位における電子の数と配置によって決まります。たとえば、安定した配置を達成するために、最外殻に 1 つまたは 2 つの電子を持つ元素はそれらの電子を失う傾向がありますが、最外殻に 5、6、または 7 個の電子を持つ元素はそれらの電子を獲得する傾向があります。これは、さまざまな元素が生成する可能性のある化合物の種類を予測するのに役立ちます。
2. 接着特性
原子間に形成される化学結合の種類も、その電子配置によって決まります。共有結合は通常、同等の電子配置を持つ原子間に形成されますが、イオン結合は通常、異なる配置を持つ原子間に形成されます。生成される化学結合の強度と安定性は、電子配置にも影響されます。たとえば、炭素原子の電子配置にある 4 つの価電子により、炭素原子は他の炭素原子と安定した共有結合を形成することができ、その結果、多種多様な有機化合物が生成されます。
3. 物性
融点、沸点、密度、導電率などの元素の物理的特性も、その電子構造の影響を受けます。電子の数とそれらが価殻内でどのように配置されているかによって、原子間の相互作用の強さが決まり、元素の物理的な動作に影響を与えます。たとえば、金属は自由電子が容易に移動して電気を伝導できるため、高い電気伝導率と熱伝導率を持っています。
4. 定期的な傾向
周期表は原子の電子構造に基づいているため、周期的傾向を使用して編成されています。周期表全体にわたる元素の特性の変動の規則的なパターンは、周期的傾向と呼ばれます。原子の電子配置の変化と、元素のサイズ、反応性、結合特性への影響を利用して、これらの傾向を理解できます。
要約すると、原子の分子的特性と物理的特性の両方を理解するには、原子の電子配置に関する知識が必要です。これは、元素の化学的挙動や、他の元素と結合して化合物を生成する能力を予測するために不可欠です。電子配置を理解することは、周期パターンや周期表全体の元素特性の違いを説明するのにも役立ちます。
