【化学】1から化学勉強法~周期表と金属と非金属~

2018年12月11日

周期表と元素の分類

 同族元素は最外殻の電子配置が似ているので、化学的な性質も似ています。 そして、最外殻電子の数が同じでも差異が区画の電子がs、d、f軌道に入るかにより、元素の物理的および化学的性質が異なってくる。

$\ce{_{21}^{}Sc}$から$\ce{_{29}^{}Cu}$までの元素では最外殻の4s軌道に先に電子を配置し、電子は原子番号の増加とともにその内殻の3d軌道に満たされていきます。

これまで、$\ce{1s->2s->2p->3s->3p->4s->3d}$となるわけです。

このように満たされない d軌道を持つあるいは満たされないd軌道をもつ陽イオンになりうつ元素を総じて遷移元素 といいます。

一方で、 1、2、12―17、18の9つの族に属する47元素を典型元素 といいます。

電子の配置と元素の性質

典型元素

周期表の第1~3周期の元素はすべて典型元素であり、第1周期のH、Heでは1s軌道に、第2周期のLi~Neでは2s、2p軌道に、同じく、第3周期では3s、3p軌道に電子が配置される。

典型元素は「原子番号が増加するにつれて、電子がsとp軌道に配置される一群の元素」で、最も外側のs、p軌道に入る電子は荷電しであり、族の番号と一致しています。

典型元素の特徴

  1. 同族の元素は価電子数が等しいので、互いに化学的性質が似ている。例えば、
    2族のCa、Sr、Baは室温で水と反応し、また、1族のNa、Kはさらに激しく反応してH2を発生します。そして、溶解した水溶液は強い塩基性を示します。
    16族元素は水素と反応して水素化物をつくります($\ce{H2O}$、$\ce{H2S}$、$\ce{H2Se}$、$\ce{H2Te}$、および$\ce{H2Po}$)。17族もまた水素化物を生成($HF$、$HCl$、$HBr$、$HI$)し、これらの水溶液はいずれも酸性を示します。
  2. 典型元素は金属と非金属の両方を含みます。金属は比較的柔らかく、融点は低いです。
  3. 周期表の最も右側にある18族は、最外殻の電子がs軌道とp軌道に充満していて、反応性が乏しく不活性気体です(inert gasといいます)。そして、これらを希ガスって言います!ネットスラングの希ガス(気がする)はここからきた親父ギャグですよ。
  4. イオン化エネルギーはLiが最も小さくて、原子番号の増加につれて大きくなって、Neで最大となります。第3、4周期もこの傾向を示します。周期表の右上に行くほど、核(正電荷)と外殻の電子(負電荷)間の引力が大きくなり、陰イオン(電子をどこかから受け取って、希ガスと似ている電子数になる)になりやすく、一方で、左下の元素ほど陽イオンになりやすいです。
  5. 電子親和力はイオン化エネルギーとほぼ同じような傾向を示しますが、各周期とも18族、ついで2族が小さく、17族が最大値を示します。この値が大きい原子ほど、電子を取り込みやすいことを示し、陰イオンになりやすいことの指標となります。
    17族ではI<Br<F<Clの順となり、第2周期でみれば、N<O<Fのようになります。

遷移元素

遷移元素は価電子が増加しないことが典型元素と異なる特徴であり、最外殻電子数は1または2です。したがって、典型元素のように周期的な変化はほとんどなく、一般的にいうと以下のような特徴に集約されます。

遷移元素の特徴

縦列の元素より隣り合う元素どうしの化学的性質が似ています。

  1. Sc以外の単体は大部分密度が大きく、また一般的に融点が高い重金属です。
  2. 大部分の金属は他の遷移元素の金属と合金を作りやすいです。
  3. Scを除く金属イオンは2つ以上の酸化状態をもちます。
  4. 水和した陽イオンは抵触するものが多く、また錯イオンを作るものが多いです。そのため、遷移元素の金属イオンは錯体の化学に密接に関わりを持っています。
  5. ちなみに、第6周期の15元素はランタノイドといわれて4f軌道に、第7周期の15元素はアクチノイドと言われ5f軌道に順に電子が入っていくため、いずれもfブロック元素ともいわれています。

遷移元素は性質が似ているために区分が難しいのが現状です。

金属製と非金属性

金属元素は

  • 金属光沢を有する。
  • 熱や電気の伝導性が大きい。
  • 比重が大きい。
  • 融点が高い。
  • 延性・展性に富む。

と中学高校と習ってきました。

これに加えて、遷移元素は金属元素に入りますが、第一イオン化エネルギーが比較的小さく、多くは隣接する原子と電子を共有して結合します。つまり、金属結合を作り、金属としての特徴を示します。

典型元素については、第一イオン化エネルギーと電子親和力が小さく、陽イオンになりやすく、水と反応すると塩基性を示すなどの化学的性質を持っています。

非金属元素

非金属元素は金属元素と反対に伝導性に乏しく、一般的には絶縁体として用いられます。固体でも展性・延性に乏しいです。

第一イオン化エネルギーは希ガスを除いて大きく、また、電子親和力も同一周期ではハロゲンが最も大きく、この中でもフッ素が最も非金属性が大きいことになります。

これらの原子核は殻が遺伝子を強く束縛しており、隣接した原子と共有結合し2原子分子を生成します。

一方で、硫黄やリンは他原子分子として自然観に存在しています。

その酸化物は水に溶けて賛成を示すものが多く、水溶液中では陰イオンになります。

両性元素

隆起表で金属元素と非金属元素の境界線をはっきり決めることは困難で、この付近の元素は両方の性質を持っており両性元素ともいわれます。

Si、Ge、As、Sb(またにB)を含め、これらは半金属ともいわれ、いずれも正の酸化状態になったり、ある条件では$\ce{H2Te}$、$\ce{AsH3}$、および$\ce{SbH3}$のような水素化物の負の酸化状態になるものがあります。

AlやZnは化学的・物理的な諸物性からみると金属元素であるが、単体は臼井さんにも強塩基の水溶液にも溶けて、H2ガスを発生します。

$\ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2}$

$\ce{Zn + 2NaOH -> Na2ZnO2 + H2}$

中でも、 Si、Ge、As、Sbは金属中で電子が動きにくく半導体 として用いられています。

半導体

集積回路(IC)や超集積回路(LSI)に用いられる半導体は、Si、Geに13族や15族元素を両々添加したものです。

SiにAsを加えると、Siの結晶中にAs原子が入り、価電子が1つ余りn型(負の電荷持つので、Negativeの頭文字N)半導体を形成する。つまり、As原子は電子を与える原子(ドナー原子)です。Inを加えると電子が1不足した状態のp型(positive)半導体を形成します。In原子は電子を受け取る原子(アクセプター原子)です。

もちろん、13~15族($\ce{GaAs}$、$\ce{GaP}$、$\ce{InAs}$)、13~16族($\ce{Ga2Se3}$、$\ce{Ga2Te3}$)などの化合物半導体やアモルファス半導体も開発されています。

いろいろ、模索しましが、化学に関係ある言葉すべてをmhchemのコードの中に入れるのが良さそうですね。いつか、リライトするのと、今後の更新ではmhchemを有効に使っていきます。

2018年12月11日

Posted by xxxchem