8 原子の構造

原子の電子構造について概説する。
基底状態における原子の構造は，構成原理， Pauli の原理， Hunt の原理にしたがって決まる。
また，イオン化エネルギー，電子親和力について述べる。
（副読本 pp. 97〜102）

8.1 構成原理

原子番号 Z の原子の電子配置をかんがえる。 Z 個の電子が水素類似軌道を安定な順番に埋めていく。

順 序 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, (4s, 3d), 4p, (5s, 4d), 5p, (6s, 4f, 5d), 6p, (7s, 5f, 6d)

カッコ内の軌道は左ほど安定なことが多い（原子の種類によっては逆転する）

例 Ge (Z = 32) (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)2 (3p)6 (3d)10 (4s)2 (4p)2

8.2 Pauli の禁制

電子は 1 つの軌道に 2 つしか入ることはできない
1 つの軌道を占める 2 つの電子のスピンは互いに逆向きである

8.3 Hund の最大多重度の規則

基底状態にある原子は不対電子の数が最高になる配置をとる

8.4 基底状態にある原子の電子配置

原子番号 原子記号 外殻電子配置 原子番号 原子記号 外殻電子配置
1 H 1s 19 K 4s
2 He 1s2 20 Ca 4s2
3 Li 2s 21 Sc 3d 4s2
4 Be 2s2 22 Ti 3d2 4s2
5 B 2s2 2p 23 V 3d3 4s2
6 C 2s2 2p2 24 Cr 3d4 4s2
7 N 2s2 2p3 25 Mn 3d5 4s2
8 O 2s2 2p4 26 Fe 3d6 4s2
9 F 2s2 2p5 27 Co 3d7 4s2
10 Ne 2s2 2p6 28 Ni 3d8 4s2
11 Na 3s 29 Cu 3d9 4s2
12 Mg 3s2 30 Zn 3d10 4s2
13 Al 3s2 3p 31 Ga 3d10 4s2 4p
14 Si 3s2 3p2 32 Ge 3d10 4s2 4p2
15 P 3s2 3p3 33 As 3d10 4s2 4p3
16 S 3s2 3p4 34 Se 3d10 4s2 4p4
17 Cl 3s2 3p5 35 Br 3d10 4s2 4p5
18 Ar 3s2 3p6 36 Kr 3d10 4s2 4p6

8.5 イオン化エネルギー I

次の過程に必要なエネルギー

M --> M+ + e- 第一イオン化エネルギー I1
M+ --> M2+ + e- 第二イオン化エネルギー I2

実験的には，原子スペクトルの系列の端の
波長，光電効果，電子衝突等で測定できる。

イオン化エネルギーの周期性

pict

　

8.6 電子親和力 A

次の過程で放出されるエネルギー

8-1

8.7 電気陰性度

原子がとの程度電子を引きつけるかのめやす
Mulliken の定義
Pauling の定義

I1/eV A/eV EN (M) EN (P) I1/eV A/eV EN (M) EN (P)
1 H 13.60 0.754 7.18 2.1 19 K 4.34 0.501 2.42 0.8
2 He 24.59 < 0 20 Ca 6.11 < 0 1.0
3 Li 5.39 0.618 3.00 1.0 21 Sc 6.54 0.188 3.36 1.3
4 Be 9.32 < 0 1.5 22 Ti 6.82 0.079 3.45 1.5
5 B 8.30 0.277 4.29 2.0 23 V 6.74 0.525 3.63 1.6
6 C 11.26 1.263 6.26 2.5 24 Cr 6.77 0.666 3.72 1.6
7 N 14.53 -0.07 7.23 3.0 25 Mn 7.44 < 0 1.5
8 O 13.62 1.461 7.54 3.5 26 Fe 7.87 0.163 4.02 1.8
9 F 17.42 3.399 10.41 4.0 27 Co 7.86 0.661 4.26 1.8
10 Ne 21.56 < 0 28 Ni 7.64 1.056 4.35 1.8
11 Na 5.14 0.548 4.69 0.9 29 Cu 7.73 1.228 4.48 1.9
12 Mg 7.65 < 0 1.2 30 Zn 9.39 < 0 1.6
13 Al 5.99 0.441 3.22 1.5 31 Ga 6.00 0.300 3.15 1.6
14 Si 8.15 1.385 4.77 1.8 32 Ge 7.90 1.200 4.55 1.8
15 P 10.49 0.747 5.62 2.1 33 As 9.81 0.810 5.31 2.0
16 S 10.36 2.077 6.22 2.5 34 Se 9.75 2.020 5.89 2.4
17 Cl 12.97 3.617 8.29 3.0 35 Br 11.81 3.365 7.59 2.8
18 Ar 15.76 < 0 36 Kr 14.00 < 0

　

演習問題

  1. 原子の電子構造を考える上で
    1. 構成原理とはなにか説明せよ。
    2. Pauli の禁制はどのようにはたらくか説明せよ。
    3. Hund の最大多重度の規則はどのようにはたらくか説明せよ。
  2. 水素原子では 2s と 2p 軌道のエネルギーは等しいが，ホウ素原子では 2p の方が 2s よりもエネルギーが高い。軌道の形からこの現象を説明せよ。
  3. C, Cl, Cr, Cs の電子配置を記号で示せ。
  4. N 原子の電子密度が原子核からの距離のみの関数であることを示せ。
  5. 原子のイオン化エネルギーについて。
    1. どのように定義されるか。
    2. 実験的にはどのようにして決められるか。
  6. 原子のイオン化エネルギーの原子番号依存性に周期性が現れる理由について簡単に述べよ。
  7. 水素類似イオンについて。
    1. H と D （重水素）とでイオン化エネルギーはどれだけ違うか。
    2. H と D との原子スペクトルで Balmer 系列の最初の波数はどれだけ違うか。
    3. 6Li2+ と7Li2+ で (1), (2) と同様の問いに答えよ。
  8. Li の原子構造を，核と 1s 電子二つとを一まとまり（全体で電荷 +1 ）とみなし， 2s 軌道に電子が 1つ入った水素類似原子とみなす。
    1. 第 1 イオン化エネルギー I1 を見積もれ。
    2. I1 が実測値（5.39 eV）に一致する有効核電荷を計算せよ。
    3. Na の 3s 軌道についても同様の計算を行え。 I1 = 5.138 eV （実測）である。
  9. 原子の電子親和力について。
    1. どのように定義されるか。
    2. 実験的にはどのようにして決められるか。
  10. H 及び H- を多量に含む太陽の大気中では次の光分解反応が活発におこっている。
    8-2
    この反応は 1648 nm より波長の長い光ではおこらない。水素の電気陰性度を見積もれ。
  11. 次の 2 つの反応のうちで (a) のほうが起こりやすいのはどのような場合か，イオン化エネルギーおよび電子親和力の大小に基づいて論ぜよ。
    8-3
  12. 原子の電気陰性度について
    1. Mulliken の定義について述べよ。
    2. Pauling の定義について述べよ。