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塩素(Cl)・酸と塩基

 どうもこんばんはライネです。
 今日は塩素について見ていきましょう。

塩素

 塩素はフッ素と同じように、あと1つ電子が入れば(一番外側が)満席になる元素です。
 このような元素をまとめて「ハロゲン」もしくは「第17族元素」と呼ぶそうです。
 何が17なんだという話はもう少し先の元素を説明しなければいけないので今日は省略します。


 さてハロゲンであるフッ素が、電子が一個あまるナトリウムと結びつきやすいように、
 塩素もまたナトリウムなどと結びついて「塩化ナトリウム」という物質になります。
 これがいわゆる「塩」です。

 ところが、塩というのは少々面倒な言葉でして、
 料理に使うなら「しお」、そしてこれを化学的にとらえると「えん」と読むそうです。



 「えん」と読む場合、その意味は「酸と塩基が混ざり合ってできるもの」と捉えられるそうです。
 では「酸(さん)」と「塩基(えんき)」とは何かという話をしましょう。


 酸と塩基についても、色々な解釈があるらしいのですが、
 酸とは、その名の通り舐めると酸っぱい物で、金属を溶かす性質があるものです。
 塩素やフッ素のようなハロゲンが水に混ざった物は基本的に酸性になるようです。

 一方で、塩基は酸性に対して「アルカリ性」を示すもので、舐めると苦いそうです。
 化学的には、リチウムやナトリウムが水に混ざった物は強いアルカリ性となります。

 なので誤解を恐れずに言えば、水に溶かした場合、
 ハロゲンは酸性、水素を除く一番左側はアルカリ性になるとお考えください。


 そして、酸(酸性)と塩基(アルカリ性)を混ぜたものが「塩(えん)」なので、
 塩化ナトリウムは「塩(しお)」でもあり、「塩(えん)」でもあるわけです。

 また、例えば、フッ化ナトリウムも「塩(えん)」ですし、
 フッ化リチウム、塩化リチウムなんかも「塩(えん)」になります。
 ですが、これらは「塩(しお)」とは呼ばれません。 

アルゴン(Ar)と電子の軌道


 どうもこんばんはライネです。
 今日はアルゴンについて見ていきましょう。

 アルゴンはヘリウム、ネオンに次ぐ3番目の電子が満員になる元素です。
 なので、非常に安定していて他の元素とはくっつきにくい性質を持っているそうです。
 このような元素を「希ガス(きがす)」もしくは「第18族元素」と呼ばれています。

アルゴン


 あれ、ちょっと待って…?
 電子の入る数は1周目なら2個まで、2周目なら8個まで、3周目なら18個までだったはずです。
電子の入る数の関係
 
 なのに、8個で満員というのは変ではないでしょうか?
 実はこれには深い深い理由があるのだそうです。



 たしかに、水素から始まってアルゴンまでは電子は内側から順番に入ってきました。
 ところがここからは順番が変わってくるのだそうです。

 この辺りは実際にはエネルギーがどうの、スピンがどうのと非常に難しい理論があるのですが、
 簡単に言うなら、電子の入る場所にも特別なルールが存在していたのです。



 電子が入る場所に関するルールについては次をご覧ください。
 まずヘリウムまでの電子が1もしくは2しかない元素の場合、2個の電子がきっかり入ります。

電子の軌道1

 そして、「きっかり入る2個の電子」というルールは外側の軌道でも適応されるようで、
 4番目の元素、つまりベリリウムまではまさしくこのままなのですが、
 5番目の元素、つまりホウ素がもつ5個目の電子は、このルールの適応外になるようなのです。

電子の軌道2


 本来なら、立体で表現できれば良いのですが、それをすると今後、実に複雑な図になってしまうので
 無理やり平面で描くとするなら、こんな感じでしょうか?

電子の軌道3


 つまり「たとえ何周目でも、最初の2個の電子が入る場所」というものがあるとご理解ください。
 これを「s軌道」と呼んでいるそうです。
 そしてs軌道に入れなかった5個目の電子は次の「p軌道」という場所に入っていきます。

 p軌道には2周目の残りの6個まで電子が入りますので、10番目の元素、つまりネオンまでは
 「たとえ何周目でも3個目から8個目までの電子が入る場所」というルールでカバーできます。
 これが「p軌道」です。
 
 そして、11番目のナトリウムと12番目のマグネシウムは、ネオンまでの軌道に加えて「3周目のs軌道」を埋め、
 さらに13番目のアルミニウムから18番目のアルゴンまでは、「3周目のp軌道」を埋めるわけです。

電子の軌道4

 ところが、次はどうなるかというと、3週目に入れる残りの10個の電子は、
 「例え何周目でも9個目から18個目までの電子が入る場所」に入っていくわけです。
 これを「d軌道」と言います。

電子の軌道5

 けれども、面倒なことに「d軌道よりも先に次の周のs軌道の方に電子は入る」というルールがあるのです。
 つまり3周目の空席10個を残して、最も外側の電子は先に4周目のs軌道に入ってしまうのです。
 よって、「3周目の最も外側の電子」は8個が最大になってしまうのです。

 結果、3周目はアルゴンで終わりまして、次からは4周目に入っていくわけです。 

カリウム(K)・カルシウム(Ca)

 どうもこんばんはライネです。

 昨日のアルゴンの説明で、3周目に入ることのできる電子がまだ残っているのに、
 先に4周目のs軌道に電子が入ると言うことが理解できたでしょうか?

 s軌道の電子の定員は2個までです。
 したがいまして、電子が19個のカリウムは最も外側である4周目に電子を1個、
 同様に電子が20個のカルシウムは最も外側である4周目に電子を2個持つ元素となります。
カルシウム
カリウム


カリウム・カルシウム


 上の周期表をみてもわかるように、カリウムは水素、リチウム、ナトリウムに並ぶ、
 一番外側の電子が1個しかないグループになります。
 これを「アルカリ金属」もしくは第1族元素と呼ぶようです。

 ただし、以前にも説明したように水素は少し例外で、そもそも金属ではありませんし、
 リチウム以下のアルカリ金属と少し毛色が違うようです。
 (特殊な環境下なら金属のようにふるまうようですが)


 
 そして、カルシウムはベリリウムやマグネシウム、カルシウムに並ぶ、
 一番外側の電子が2個しかないグループです。
 こちらは「アルカリ土類金属」と呼ばれています。

 こちらについてはマグネシウムの時に説明してあるように、
 やはり軽い(周回が上に来る)元素と重い元素とでは少し毛色が異なるようです。


 ちなみに、名前のとおり、この辺の元素は電子を捨てて陽イオンになることが多く、
 水に溶けている状態ではアルカリ性になりやすいようです。

スカンジニウム(Sc)と遷移元素


 どうもこんばんはライネです。
 さて、今日は21番目の元素スカンジニウムの登場です。
 そしてスカンジニウムからはまた元素の並び順に変化が生じます。


 アルゴンまでは電子は順番に入ってきましたが、
 昨日登場したカリウムとカルシウムは3周目の空席を残したまま、
 4周目を埋めていました。

水素からアルゴンまで
カリウムとカルシウム


 けれどもスカンジニウムからは再び3周目の空席を埋めていくのだそうです。
 ※ごく一部例外が存在しますが。

 というわけで、スカンジニウムの電子軌道はこんな感じになるようです。

スカンジニウムの電子軌道


 「一番外側の電子の数」が元素の性質に大きく関わるというならば、
 スカンジニウム以降の元素はカルシウムに似ていると言うことになってしまいます。

 ところが、このあたりが面倒なところで、外側は確かに2個の電子があって不安定なのですが、
 内側にはまだ満席になっていないものの、外側の電子に守られ安定したd軌道があります。
 そのため、これまでの元素には無かった変わった性質をもつ元素になっているようです。

 ここから先は物理の領域になってしまうので、後回しにするとして、
 ひとまずスカンジニウムから始まる元素を「遷移元素(せんいげんそ)」と呼ぶのだそうです。
 なお、それに対し、これまで見てきた元素は「典型元素(てんけいげんそ)」と言います。


 例外があったり研究者によって考えが異なる面もあるため、
 遷移元素と典型元素の定義はなかなか難しいのですが、今のところは
 「原子番号が増えるたびに一番外側の電子が増えていくのが典型元素」で、
 「原子番号が増えても一番外側の電子は増えないのが遷移元素」だと思っておきましょう。



 というわけで、今日からは周期表も少し姿を変えます。

スカンジニウム
 
 見覚えのある形に変わりましたね。

クロム(Cr)・不思議な電子軌道

 どうもこんばんはライネです。
 色々調べた結果、だんだんと電子の振る舞い方が解ってきた気がします。

 学術的に言えばもちろん「物理的な仕組み」によって振る舞い方が説明されているので、
 電子そのものに意図があるわけではないのですが、
 結果的にこれが「人が無意識にやっているような現象」に似ている事に気が付きました。

 電子の軌道は「松屋の理論」で説明できるのです。
 牛丼の松屋さん(吉野家さんでもいいのですが)で、こういう風に席があったとしましょう。

松屋理論1

 さて、この図の緑の席には人がすでに座っています。
 あなたは赤い席のどこに座りますか?

 たぶん人によって絶対に同じ場所に座るわけではないと思いますが、
 私なら一番右側の席に座ります。
 べつにどこに座ってもいいと思うのですが、なんとなく座る場所は決まってますよね。



 ではもう1問、「どこに座りますか?」
松屋理論2
 
 カリウムやカルシウムはこの状況だったので、後ろのテーブル席に座った人たちなわけです。
 まあ、相席するというのはカウンターで隣にすわるよりもハードルが高いと思いますが、
 ここは真ん中で目線がぶつからないように区切られているとしましょう。


 さて、カリウムやカルシウムのようにテーブル席が1席でも埋まると、
 お店の人は新しく、座席を10個増やしてくれます。
 これが「3d」席です。

 このような普段はないけれどお客さんが増えると出てくる席に座る元素が、遷移元素なわけです。
 スカンジニウムに続き、チタンやバナジウムがこの座席を埋めていくわけですが、
 クロムになると少し様子が変わります。


 クロムは原子番号24番です。
 電子が18個までならアルゴンと同じように内側から埋めていきますが、
 残りの6個の電子はどこに座るとバランスがとれるでしょうか?

松屋理論3

 テーブル席を1つ埋めた時点で空席を10個増やしてくれるので、
 隣同士に座るのはちょっとなあ、という人が1つ飛ばしに席に座りだします。
 その結果、テーブル席は1人、カウンター席に5人という状況のほうが安定するわけです。



 よって、クロムの電子軌道はこんな感じになります。

クロム
プロフィール

ライネ

Author:ライネ
ライネと申します。
先生の家に居候するラザフォード人です。
現在この世界のことを勉強中。
リンクとかもろもろ含めて商業的利用以外ならご自由にどうぞ。面白そうな企画には飛び乗ります。

合言葉は「真面目な事を不真面目に!」
記事の真偽は自己責任でお願いします。

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