【化学】社会人からはじめる勉強法

2018年11月19日

はじめに

旋回から始めている化学勉強のためのページ。

化学は、生化学、高分子化学を含めて非常に多くの分野に関わってきます。
社会人になって改めて勉強したいって人も多いと思います。

事業が変わった、転職した会社員から弁理士まで、再勉強が必要な人は非常に多いと思います。受験生だけではなくそんな人たちにもブログを通じて勉強できるよう頑張って書いていきたいと思います。前回は、原子について、中心に話しました。

今日は周期律(周期表)について説明しようと思います。

もう一度いいます。化学は化学の分野でしか使わない単位系や言葉、近似もあります。実際に必要なのは、概念であって、なんでこんな名前なんだろう、なんでこの近似使うのだろうっていうのは、特別な説明がない限りは無視していきましょう(後々、理解の助けになる場合加筆することもあると思います)。

まずはキーワードの説明から進めていきましょう。最終的に周期表を理解できるように頑張っていきましょう。

  • 電子殻
  • イオン化エネルギー
  • 電気陰性度
  • 電子親和力
博士
これだけなんですよ。でも、概念が似ているので紛らわしいと感じる人が多数だと思います。

電子殻

前回報告した元素の違いは電子の数の違いによります。
それでは、その電子の増え方のルールについて見ていきましょう。

原子核の囲む電子殻と呼ばれる軌道があります。この軌道ごとに名前が付けられています。
一番内側のK殻からアルファベット順に増えていきます。なぜ、K殻からなのか、それは将来の科学技術の発展によってさらに内側に電子殻があるのではないかという理由から保険をかけて、K殻からはじめていました。

電子の入り方ルール

  • 各電子殻に入る電子の最大許容量が決まっている。これを一般式で表すと$2n^{2}$となります。
  • 好きなところに電子を配置していいわけではありません。K殻から順に電子を配置していきます。
  • 一番外側の電子を最外殻電子と呼びます。
  • 最外殻電子は最大8個までと決まってます(これを、オクテット則と呼びます)。

 

博士
電子殻の最大許容値が図のように、2、8、18と増えていくのに、オクテット則があるってどういうことなのか?って思う人もいますよね。安心してください。電子配置には優先順位が優先順位があるんです。まずは、K殻に2個入って、L殻に8個入って、M殻に8個(ここが一番迷いますよね、まず8個埋めるんです)そして、N殻に入ると不規則に電子を配置していきます(実際はしっかりと理論がありますよ)。
K殻 L殻 M殻 N殻
水素 1
ヘリウム 2
リチウム 2 1
ベリリウム 2 2
ホウ素 2 3
炭素 2 4
窒素 2 5
酸素 2 6
フッ素 2 7
ネオン 2 8
ナトリウム 2 8 1
マグネシウム 2 8 2
アルミニウム 2 8 3
ケイ素 2 8 4
リン 2 8 5
硫黄 2 8 6
塩素 2 8 7
アルゴン 2 8 8
カリウム 2 8 8 1
カルシウム 2 8 8 2
スカンジウム 2 8 9 2
チタン 2 8 10 2
バナジウム 2 8 11 2
クロム 2 8 13 1
マンガン 2 8 13 2
2 8 14 2
コバルト 2 8 15 2
ニッケル 2 8 16 2
2 8 18 1
亜鉛 2 8 18 2
ガリウム 2 8 18 3
ゲルマニウム 2 8 18 4
ヒ素 2 8 18 5
セレン 2 8 18 6
臭素 2 8 18 7
クリプトン 2 8 18 8

高校化学で重要な36個の元素についての電子配置について載せました。ご確認ください。
表で赤くした部分は最も化学的に安定な属性「希ガス」です。

次の「イオン化エネルギー」ではこの希ガスの電子配置が大事になってきます。

 

イオン化エネルギー

今回使用するのは、以下のリンクを利用して、その後エクセルでグラフを自分で作り紹介しますね。

ここにある表を使います。
また、九州大学の学生がやっている単位換算系が便利なのでこちらで、一般的に使用される「eV」に変換も可能です。

博士
それでは、はじめて行きましょう。まずイオン化エネルギーとは

まず、原子が化学的に安定なときってどのような状態でしょうか。
それは、希ガスっとよばれる属性をもった化学種にいているときです。
電子がの数が重要となってきます。

今覚えておくことは外側の電子のを調製することで、原子を安定させる!希ガスは
最も安定な希ガスの配置になりたがる性質です。あくまで、近くの希ガス元素の電子配置になるってことです。

それでは、希ガスのみの電子配置をもう一度確認しましょう。

K殻 L殻 M殻 N殻
ヘリウム 2
ネオン 2 8
アルゴン 2 8
8
クリプトン 2
8
18 8

L殻にある、最外殻電子を1つとると一番近くのHeヘリウムと同じ電子配置になります。

(第一)イオン化エネルギーとは、原子の最外殻から電子を1個奪うときに必要な最低限のエネルギー

です。

一般的に大学受験レベルから大学の基礎化学レベルのはこの1個の第外殻電子をとるとるのに必要なエネルギーを「第一イオン化エネルギー」と言います。
2個の電子をとると「第二イオン化エネルギー」といいます。

これらをまとめると

このイオン化エネルギーは元素の種類によって、大きさが異なるわけです。

原子番号によって、大きさが違っているのがわかりますか?これについて後で詳しく説明します。

電子親和力

電子親和力とは、原子に電子1個をくっつけたときに放出されるエネルギー

ちょっと、このあたりの考え方が難しいですよね。以下の図を見ていただけたらわかりやすいと思います。エネルギー順位という図ですが、エネルギー順位がマイナス方向のとき、放出することを意味します。

電気陰性度

共有結合を形成するときに引っ張る強さです。引っ張る強さが傾いてくる。

電気陰性度を表す式がたくさんありますが、一番有名な評価表の一つとしてマリケンの電気陰性度があります。
このマリケンの電気陰性度は「イオン化エネルギーと電子親和力の平均が電気陰性度になる」と定義しています。

このマリケンの電気陰性度に基づいた概念図を以下に示します。

原子半径

同じ軌道中であっても、電子の数が違うことで、原子半径も変わってくる。

周期律

以上紹介してきた

  • イオン化エネルギー
  • 電子親和力
  • 電気陰性度
  • 原子半径

これらは周期的に変化していきます。つまり、化学的な性質はこれらのエネルギーや原子の大きさに影響します。
つまり、これらが周期的に変化するなら体系的な表があれば便利なのです。そおれが周期表の始まりです。

おわりに

周期表については、確実に加筆します。

昨日の記事は今日加筆しました。もう一度ご確認お願いします。

 

 

 

2018年11月19日

Posted by xxxchem