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学年 名列 名前 福井工業大学 工学部 環境生命化学科 原 道寛

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1 学年 名列 名前 福井工業大学 工学部 環境生命化学科 原 道寛
学年   名列    名前 物理化学 福井工業大学 工学部 環境生命化学科 原 道寛 HARA2005

2 物理化学:1章原子の内部 (メニュー) 光の性質と原子のスペクトル ボーアの水素原子モデル 電子の二重性:波動力学 水素原子の構造
1-1.  光の性質と原子のスペクトル 1-2.  ボーアの水素原子モデル 1-3.  電子の二重性:波動力学 1-4.  水素原子の構造 1-5.  多電子原子の構造 1-6.  元素の諸性質と電子配置との関わり

3 水素原子1s, 2s , 3s・・・軌道 ⇒ 複雑な分子にも適応
1-5. 多電子原子の構造 水素原子1s, 2s , 3s・・・軌道 ⇒ 複雑な分子にも適応 原子核の電荷が 大きい 内部の電子は核の近くまで引き付けられ 軌道の広がりも 小さく なる 占有する電子のエネルギーは 水素原子(1s)より 低く なる A B C 多電子原子 水素原子 占有する電子の エネルギー D 多電子原子は水素とは違い縮退は起こらない。

4 1-5. 多電子原子の構造 縮退degeneracy 水素原子の軌道= 主量子数+異なる副殻に属する軌道 同じエネルギー準位の例
1-5. 多電子原子の構造 水素原子の軌道= 主量子数+異なる副殻に属する軌道 A B 同じエネルギー準位の例 E(2s) = E(2p)  縮退degeneracy 多電子原子

5 1-5. 多電子原子の構造 多電子原子 E(2s) < E(2p) 核 電子 内部 外部 核 電子 電子 遮蔽効果 有効核電荷
1-5. 多電子原子の構造 多電子原子 E(2s) < E(2p)  A 電子 内部 外部 電子 電子 遮蔽効果 B 有効核電荷 核電荷による 電気的な引力 C エネルギーが 低くなる D E

6 1-5. 多電子原子の構造 DOWN UP エネルギーの低い順に:1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d、4f 各軌道電子
1-5. 多電子原子の構造 各軌道電子 内側にある殻(shell)への浸透 縮退した軌道 エネルギー差 逆転することあり。 A DOWN B C UP エネルギーの低い順に:1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d、4f D

7 1-5. 多電子原子の構造 ○パウリの禁制原理(Pauli exclusion principle)
1-5. 多電子原子の構造 電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子 電子構造(electronic structure) 電子配置(electron configuration) A B 重要な原理・規則① ○パウリの禁制原理(Pauli exclusion principle) 1つの原子の中の電子:四種類の量子数が異なる。 量子数n,l,mが同じ場合の電子:スピン量子数の異なる 2 個。 一つの軌道に入る電子:2個、スピンは逆向き。 C D E F G H

8 1-5. 多電子原子の構造 ○フントの規則(Hund’s rule) 電子構造(electronic structure)
1-5. 多電子原子の構造 電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子 電子構造(electronic structure) 電子配置(electron configuration) A B 重要な原理・規則② ○フントの規則(Hund’s rule) 電子が縮退した軌道に入る時:  1.電子(スピン)は各軌道に同じ方向で入る。  2.縮退した軌道に1つずつ電子が占められるまで続く。 なぜならば:安定性より 電子: 平均して互いに離れる⇒反発が小さくなる⇒安定になる。 同じ軌道を占める(2つ) < 異なる軌道に存在(各1つ) C D E F G H I J K

9 1-5. 多電子原子の構造 原子番号(Z):Z個の電子を収容。 正負のイオン:Zから電子数を加減することで適応可能。
1-5. 多電子原子の構造 基底状態の中性原子の電子配置の決め方 1 原子番号(Z):Z個の電子を収容。 正負のイオン:Zから電子数を加減することで適応可能。 2. 低いエネルギーの軌道に電子を1個ずつ付け加えていく。 軌道のエネルギーの順序は、1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6sの順である。 3 .どの軌道にも二個より多くの電子を入れてはいけない。 A B C

10 1s軌道に2個の電子を置くとき:パウリの禁制原理からスピンが反対方向を向く
1-5. 多電子原子の構造 電子配置は? 水素 H (Z=1) ヘリウム He (Z=2) A B H  ___ H 1s1 1s He  ___ C He 1s2 D 1s 軌道図表(orbital diagram) 1s軌道に2個の電子を置くとき:パウリの禁制原理からスピンが反対方向を向く

11 二個の電子は閉殻(closed shell)を形成しているという。
1-5. 多電子原子の構造 電子配置は Li(Z=3) Be(Z=4) 軌道図表 (orbital diagram) B Li  ___ A ___ C D 1s22s1≒[He]2s1 1s 2s G F 1s22s2 ≒[He]2s2 H Be  ___ E ___ 最外殻に注目した表記法 [ ]内は芯電子(core electron) 1s 2s I 1s副殻は完全に閉められており、 二個の電子は閉殻(closed shell)を形成しているという。 次にエネルギーの低い2s軌道に入る。 J K

12 1-5. 多電子原子の構造 電子配置は ホウ素B(Z=5) 1s22s22p1≒[He]2s22p1 炭素C(Z=6) 窒素N(Z=7)
1-5. 多電子原子の構造 電子配置は ホウ素B(Z=5) 炭素C(Z=6) 窒素N(Z=7) D 1s22s22p1≒[He]2s22p1 E B  ___ ___ ___ ___ ___ A B C 1s 2s 2p I 1s22s22p2≒[He]2s22p2 J C  ___ ___ ___ ___ ___ F G H 1s 2s 2p N 1s22s22p3≒[He]2s22p3 O N  ___ K ___ L ___ M ___ ___ 1s 2s 2p フントの規則から、五番目の電子が 入っている2p軌道 とは 別の2p軌道 に スピンが同じ方向に向くように入る。

13 1-5. 多電子原子の構造 電子配置 酸素O(Z=8) 1s22s22p4≒[He]2s22p4 フッ素F(Z=9) Ne(Z=10)
1-5. 多電子原子の構造 電子配置 酸素O(Z=8) フッ素F(Z=9) Ne(Z=10) 1s22s22p4≒[He]2s22p4 D E O  ___ ___ C ___ ___ ___ A B 1s 2s 2p 1s22s22p5≒[He]2s22p5 I J F F  ___ ___ G H ___ ___ ___ 1s 2s 2p 1s22s22p6≒[He]2s22p6 N O Ne  ___ K ___ L ___ M ___ ___ 1s 2s 2p フントの規則から、五番目の電子が入っている2p軌道とは 別の2p軌道にスピンが同じ方向に向くように入る。

14 1-5. 多電子原子の構造 sには最大2個 pには最大6個 第三周期 Na(Z=11) Ne(Z=10) +1 1s22s22p6 3s1
1-5. 多電子原子の構造 sには最大2個 pには最大6個 A B 第三周期 Na(Z=11) Ne(Z=10) +1 1s22s22p6 3s1 [Ne] 3s1 C D E Ar(Z=18) Ne(Z=10) +8 1s22s22p6 3s23p6 [Ne] 3s23p6 F G H 3s 副殻と  3p 副殻を満たす。 I J

15 3d:縮退した軌道(5つ) =10個の電子を収めることが可能
1-5. 多電子原子の構造 第四周期 K(Z=19) Ar(Z=18) +1 1s22s22p63s23p6 4s1 [Ar] 4s1 A B C Ca(Z=20) Ar(Z=18) +2 1s22s22p63s23p6 4s2 [Ar] 4s2 D E F エネルギー 3d > 4s  4s に入る → 3d へ 3d:縮退した軌道(5つ) =10個の電子を収めることが可能 G H 電子が満たされてくると 反発により、 エネルギーの順番が変わる。 複雑!! しかし、 Cr(Z=24)は[Ar]3d54s1 Cu(Z=20):[Ar]3d104s1 I K J

16 原子の電子配置 第一遷移元素=3d副殻が満たされていく Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu
Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag 第二遷移元素=4d副殻が満たされていく Z=57-71 ランタノイド元素=5dと4f副殻が満たされていく Z=89-103 アクチノイド元素=5f副殻が満たされていく A B C D

17 1族アルカリ金属と 2族アルカリ土類金属:最外殻はs軌道
最外殻となる副殻と周期表との関係 3-11族の遷移元素と12族:最外殻はd軌道 C 1族アルカリ金属と 2族アルカリ土類金属:最外殻はs軌道 13-18族の典型元素:最外殻はp軌道 A B


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