価電子数を求める 方法

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共著者 : Anne Schmidt

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化学において、 価電子 は、元素の最も外側の電子殻に位置する電子です。特定の原子の 価電子の数を 決定する方法は、化学者にとって重要なスキルです。なぜなら、この情報は、その元素が形成できる化学結合の種類を決定し、したがってその元素の反応性を決定するからです。幸いなことに、元素の価電子を決定するために必要なのは、標準的な元素周期表だけです。

パート 1
パート 1 の 2:

周期表を用いて価電子を見つける

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非遷移金属

  1. 元素の周期表 を見つけてください。 これは、人類が知っているすべての化学元素を一覧にした、色分けされた多くの四角形からなる表です。周期表は元素に関する多くの情報を示しています。この情報の一部を使用して、調査対象の原子における価電子の数を決定します。通常、 化学の教科書 カバーの内側に掲載されています。オンラインでも優れたインタラクティブな表が利用可能です。 [1]
  2. 一般的に、周期表では、1つの縦の列にある元素はすべて、価電子の数が同じです。周期表に各列に番号が付けられていない場合は、左端から1、右端から18の番号を付けなさい。科学用語では、これらの列は「元素の 「グループ」と呼ばれます。 [2]
    • 例えば、グループが番号で表示されていない周期表を使用する場合、水素(H)の上に1、ベリリウム(Be)の上に2、と続けて書き、ヘリウム(He)の上に18と書きます。
  3. 次に、価電子を求めたい元素を表で探してください。これには、化学記号(各ボックス内の文字)、原子番号(各ボックスの左上にある数字)、または表に表示されている他の情報を使用できます。 [3]
    • 例として、非常に一般的な元素の価電子を求めましょう: 炭素(C)の価電子を求めましょう。 この元素の原子番号は6です。グループ14の最も右上に位置しています。次のステップで、その価電子を求めます。
    • この小節では、第3族から第12族で構成される長方形のブロックにある遷移金属は無視します。これらの元素は他の元素と少し異なるため、この小節の手順はこれらには適用できません。これらの元素の扱い方は、次の小節を参照してください。
  4. 非遷移金属のグループ番号は、その元素の原子における価電子の数を決定するために使用できます。 グループ番号の一の位 は、これらの元素の原子における価電子の数です。 [4] つまり:
    • 第1族:1つの価電子
    • グループ2:2つの価電子
    • 第13族:3つの価電子
    • 第14族:価電子4個
    • 第15族:価電子5個
    • 第16族:価電子が6個
    • 第17族:価電子が7個
    • 第18族:価電子数8(ヘリウムを除く。ヘリウムは2)
    • 例では、炭素はグループ14に属するため、炭素の1つの原子には 4つの価電子を持っていると言えます。
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遷移金属

  1. 前述のように、グループ 3 から 12 までの元素は「遷移金属」と呼ばれ、価電子に関しては他の元素とは異なった挙動を示します。このセクションでは、これらの原子に価電子を割り当てることは、ある程度は不可能であることが多い理由について説明します。 [5]
    • 例として、元素番号73のタンタル(Ta)を選択します。次の数ステップで、その価電子(または少なくとも 試みます )
    • 遷移金属には、ランタンとアクチニウムの系列(いわゆる「希土類金属」)が含まれます。これらは、表の他の元素の下に配置される2つの行で、ランタンとアクチニウムから始まります。これらの元素はすべて グループ3 に属しています。
  2. 遷移金属が周期表の他の元素と同じように「機能しない」理由を理解するには、原子内の電子の挙動について少し説明が必要です。 [6] 以下の簡単な説明をご覧ください。または、このステップをスキップして、答えに直接進むこともできます。
    • 電子が原子に追加されると、それらはさまざまな「軌道」に分類されます。軌道とは、基本的に、電子が集合する原子核周辺のさまざまな領域のことです。通常、価電子は最外殻にある電子、つまり最後に追加された電子です。
    • ここで説明するにはやや複雑な理由により、最外殻に電子が追加されると d 殻に電子を追加すると(これについては後述)、最初の電子は通常の価電子のように振る舞いますが、その後はそのように振る舞わなくなり、他の軌道層の電子が価電子として振る舞うことがあります。これにより、原子は操作方法によっては複数の価電子数を持つ可能性があります。
  3. 再び、調べている元素のグループ番号からその価電子の数を判断できます。ただし、遷移金属の場合、パターンはありません — グループ番号は通常、可能な価電子の数の範囲に対応します。これらは次の通りです: [7]
    • 第3族:価電子3個
    • 第4族:2から4個の価電子
    • 第5族:2から5個の価電子
    • 第6族:2から6個の価電子
    • 第7族:2から7個の価電子
    • 第8族:価電子が2個または3個
    • 第9族:2または3個の価電子
    • 第10族:2または3個の価電子
    • 第11族:1または2個の価電子
    • 第12族:価電子2個
    • 例では、タンタルはグループ5に属するため、その価電子数は 2から5個の価電子 と、状況に応じて言えます。
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パート 2
パート 2 の 2:

電子配置を用いて価電子を見つける

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  1. 元素の価電子を見つける別の方法は、電子配置と呼ばれるものです。これらは最初はやや複雑に見えますが、原子の電子軌道を文字と数字で表す方法であり、仕組みを理解すれば簡単です。 [8]
    • ナトリウム(Na)の例を見てみましょう:
      1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
    • この電子配置は、次のように繰り返される一連のパターンであることに注意してください:
      (数字)(文字) (上付き数字) (数字)(文字) (上付き数字) ...
    • ...以下同様です。 (数字)(文字) の塊は電子軌道の名前であり、 (上付き数字) はその軌道内の電子の数です — それだけ!
    • したがって、例の場合、ナトリウムは 1s軌道に2つの電子 プラス 2つの電子が2s軌道にあります プラス 2p軌道に6個の電子 プラス 3s軌道に1つの電子。 合計で11個の電子です — ナトリウムは元素番号11なので、これは理にかなっています。
    • 各副殻には一定の電子容量があることに注意してください。その電子容量は次のとおりです:
      • s: 2つの電子を収容できる
      • p: 6つの電子容量
      • d:10電子容量
      • f: 14の電子容量
  2. 元素の電子配置が分かれば、価電子の数を求めると非常に簡単です(もちろん、遷移金属を除く)。電子配置が最初から与えられている場合は、次のステップに進むことができます。自分で求める必要がある場合は、以下を参照してください: [9]
    • 周期表の最後の元素である118番元素のオガネソン(Og)の完全な電子配置を調べなさい。この元素は最も多くの電子を持つため、その電子配置は他の元素で遭遇する可能性のあるすべてのケースを示しています:
      1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4秒 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6
    • これで、他の原子の電子配置を見つけるためには、電子がなくなるまでこのパターンを繰り返し埋めていくだけです。これは思ったより簡単です。例えば、17番元素で17個の電子を持つ塩素(Cl)の軌道図を作成する場合、次のようにします:
      1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5
    • 電子の数は合計で17になります:2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17。最終軌道の数値のみを変更すればよく、それ以前の軌道は完全に埋まっているため、残りは同じです。
    • 電子配置の詳細については、こちらの記事も参照してください。
  3. 原子に電子が追加されると、電子は上記の順序に従ってさまざまな軌道に割り当てられます。最初の 2 つは 1s 軌道、その次の 2 つは 2s 軌道、その次の 6 つは 2p 軌道、というように続きます。遷移金属以外の原子を扱う場合、これらの軌道は原子核の周囲に「軌道殻」を形成し、各殻は前の殻よりも外側に位置します。最初の殻は2つの電子しか収容できませんが、それ以降の各殻は8つの電子を収容できます(ただし、遷移金属の場合を除く)。これが「 オクテット則 [10]
    • 例えば、元素のホウ素(B)を考えてみましょう。その原子番号は5であるため、5つの電子を有し、電子配置は次のように表されます:1s 2 2s 2 2p 1 。最初の軌道殻には2つの電子しかないため、ホウ素には2つの殻があることがわかります:1つの殻には2つの1s電子、もう1つの殻には2sと2p軌道から3つの電子があります。
    • 別の例として、塩素(1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 )は、3つの軌道殻を有します:1つの軌道殻には2つの1s電子、1つの軌道殻には2つの2s電子と6つの2p電子、そして1つの軌道殻には2つの3s電子と5つの3p電子が含まれます。
  4. 元素の電子殻が分かれば、価電子を求めるのは簡単です:最外殻の電子の数を使用します。最外殻が満員(つまり、8つの電子、または最初の殻の場合は2つの電子)の場合、その元素は不活性で、他の元素と容易に反応しません。ただし、遷移金属の場合、この規則は完全に当てはまりません。 [11]
    • 例えば、ホウ素を扱う場合、第二殻に3つの電子があるため、ホウ素は 3 価電子を持っていると言えます。
  5. 周期表の横の行は、元素の「周期」と呼ばれています。 「周期」と呼ばれます。 表の上部から、各周期は電子の 電子殻の の数を表します。この方法を使用すると、元素の価電子数を素早く求めることができます — 電子を数える際は、その元素の周期の左側から開始してください。この方法では、3族から12族を含む遷移金属は無視する必要があります。 [12]
    • 例えば、セレンは第4周期に属するため、4つの軌道殻を持っていることがわかります。第4周期の左から6番目の元素(遷移金属を除く)であるため、外側の第4軌道殻には6つの電子があり、したがってセレンは 価電子が6個あることがわかります。
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ポイント

  • 電子配置は、配置の最初に貴ガス(第18族の元素)を用いて軌道を表す略記法で書くことができます。例えば、ナトリウムの電子配置は[Ne]3s1と書くことができます。これは本質的にネオンと同じですが、3s軌道に1つの電子が多いだけです。
  • 遷移金属は、完全に満たされていない価電子の副殻を持つ場合があります。遷移金属の価電子の正確な数を決定するには、この記事の範囲を超える量子力学の原理が必要です。
  • 価電子を決定する際、最後の軌道から加算または減算するタイミングを必ず覚えておいてください。
  • 注意してください。周期表は国によって異なります。混乱を避けるため、使用している周期表が正しく最新のものを確認してください。
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必要なもの

  • 元素の周期表
  • 鉛筆
  • 論文

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出典

  1. ↑ https://www.ptable.com/
  2. ↑ https://www.scienceabc.com/pure-sciences/how-to-find-the-number-of-valence-electrons-in-an-element.html
  3. ↑ https://www.scienceabc.com/pure-sciences/how-to-find-the-number-of-valence-electrons-in-an-element.html
  4. ↑ https://www.scienceabc.com/pure-sciences/how-to-find-the-number-of-valence-electrons-in-an-element.html
  5. ↑ https://sciencing.com/parts-periodic-table-5414878.html
  6. ↑ https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch12/trans.php
  7. ↑ https://sciencing.com/figure-valence-electrons-periodic-table-5847756.html
  8. ↑ https://chem.libretexts.org/Courses/Heartland_Community_College/CHEM_120%3A_Fundamentals_of_Chemistry/02%3A_Atoms_and_Elements/2.07%3A_Applications_of_Electron_Configurations_Valence_Electrons_and_Electron_Dot_Structures
  9. ↑ https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/e_config.html
  1. ↑ https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Configurations/The_Octet_Rule
  2. ↑ https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/e_config.html
  3. ↑ https://www.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-properties/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-electron-configuration/a/the-periodic-table-electron-shells-and-orbitals-article

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