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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。 
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