第6章電子構造と元素の周期的性質

Electron Configurations and the Periodic Table電子配置と周期表

As described earlier, the periodic table arranges atoms based on increasing atomic number so that elements with the same chemical properties recur periodically. When their electron configurations are added to the table (Figure 6.29), we also see a periodic recurrence of similar electron configurations in the outer shells of these elements. Because they are in the outer shells of an atom, valence electrons play the most important role in chemical reactions. The outer electrons have the highest energy of the electrons in an atom and are more easily lost or shared than the core electrons. Valence electrons are also the determining factor in some physical properties of the elements.

英語のヒント

すでに述べたように、周期表は原子番号が増す順に原子を並べており、同じ化学的性質をもつ元素が周期的に現れる。電子配置を表に加えると（図6.29）、最外殻の類似した電子配置も周期的に繰り返すことがわかる。価電子は原子の最外殻にあるため、化学反応で最も重要な役割を果たす。外側の電子は原子内で最も高いエネルギーをもち、内殻電子より失われやすく、共有されやすい。価電子は、元素の一部の物理的性質を決める要因でもある。

Elements in any one group (or column) have the same number of valence electrons; the alkali metals lithium and sodium each have only one valence electron, the alkaline earth metals beryllium and magnesium each have two, and the halogens fluorine and chlorine each have seven valence electrons. The similarity in chemical properties among elements of the same group occurs because they have the same number of valence electrons. It is the loss, gain, or sharing of valence electrons that defines how elements react.

英語のヒント

同じ族、すなわち同じ縦列の元素は、価電子の数が等しい。アルカリ金属のリチウムとナトリウムはそれぞれ1個、アルカリ土類金属のベリリウムとマグネシウムは2個、ハロゲンのフッ素と塩素は7個の価電子をもつ。同族元素の化学的性質が似ているのは、価電子数が同じだからである。元素がどう反応するかを決めるのは、価電子の喪失、獲得、共有である。

It is important to remember that the periodic table was developed on the basis of the chemical behavior of the elements, well before any idea of their atomic structure was available. Now we can understand why the periodic table has the arrangement it has—the arrangement puts elements whose atoms have the same number of valence electrons in the same group. This arrangement is emphasized in Figure 6.29, which shows in periodic-table form the electron configuration of the last subshell to be filled by the Aufbau principle. The colored sections of Figure 6.29 show the three categories of elements classified by the orbitals being filled: main group, transition, and inner transition elements. These classifications determine which orbitals are counted in the valence shell, or highest energy level orbitals of an atom.

英語のヒント

周期表は、原子構造について何もわかっていない時代に、元素の化学的な振る舞いに基づいて作られたことを覚えておこう。今では、なぜその配列になっているかを理解できる。原子の価電子数が同じ元素を、同じ族に配置しているのである。図6.29は、構成原理に従って最後に埋まる副殻の電子配置を周期表の形で示し、この配列を強調している。図6.29の色付き領域は、埋まる軌道に基づく3つの分類、典型元素、遷移元素、内部遷移元素を示す。これらの分類によって、どの軌道を価電子殻、すなわち原子の最も高エネルギーの軌道に数えるかが決まる。

Main group elements (sometimes called representative elements) are those in which the last electron added enters an s or a p orbital in the outermost shell, shown in blue and red in Figure 6.29. This category includes all the nonmetallic elements, as well as many metals and the metalloids. The valence electrons for main group elements are those with the highest n level. For example, gallium (Ga, atomic number 31) has the electron configuration [Ar]4s²3d¹⁰4p¹, which contains three valence electrons (underlined). The completely filled d orbitals count as core, not valence, electrons.
典型元素（代表元素とも呼ばれる）は、最後に加わる電子が最外殻のsまたはp軌道に入る元素で、図6.29の青と赤の領域にある。すべての非金属、多くの金属、半金属が含まれる。典型元素の価電子は、nが最大の準位にある電子である。たとえばガリウム（Ga、原子番号31）の電子配置は[Ar]4s²3d¹⁰4p¹で、価電子は3個（下線部）である。完全に埋まったd軌道の電子は、価電子ではなく内殻電子に数える。
Transition elements or transition metals. These are metallic elements in which the last electron added enters a d orbital. The valence electrons (those added after the last noble gas configuration) in these elements include the ns and (n – 1) d electrons. The official IUPAC definition of transition elements specifies those with partially filled d orbitals. Thus, the elements with completely filled orbitals (Zn, Cd, Hg, as well as Cu, Ag, and Au in Figure 6.29) are not technically transition elements. However, the term is frequently used to refer to the entire d block (colored yellow in Figure 6.29), and we will adopt this usage in this textbook.
英語のヒント
遷移元素（遷移金属）は、最後に加わる電子がd軌道に入る金属元素である。価電子、すなわち直前の希ガスの電子配置の後に加わった電子には、ns電子と(n − 1)d電子が含まれる。IUPACの正式な定義では、遷移元素はd軌道が部分的に埋まった元素である。そのため、軌道が完全に埋まった元素、すなわち図6.29のZn、Cd、HgやCu、Ag、Auは、厳密には遷移元素ではない。しかしこの用語は、図6.29で黄色く示したdブロック全体を指して使われることが多く、本書でもこの用法を採用する。
Inner transition elements are metallic elements in which the last electron added occupies an f orbital. They are shown in green in Figure 6.29. The valence shells of the inner transition elements consist of the (n – 2)f, the (n – 1)d, and the ns subshells. There are two inner transition series:
内部遷移元素は、最後に加わる電子がf軌道を占める金属元素で、図6.29の緑色の領域にある。その価電子殻は、(n − 2)f、(n − 1)d、ns副殻からなる。内部遷移元素には、次の2系列がある。
1. The lanthanide series: lanthanum (La) through lutetium (Lu)
  ランタノイド系列：ランタン（La）からルテチウム（Lu）まで。
2. The actinide series: actinium (Ac) through lawrencium (Lr)
  アクチノイド系列：アクチニウム（Ac）からローレンシウム（Lr）まで。

Lanthanum and actinium, because of their similarities to the other members of the series, are included and used to name the series, even though they are transition metals with no f electrons.

ランタンとアクチニウムは、f電子をもたない遷移金属だが、系列内のほかの元素と似ているため、それぞれの系列に含められ、系列名にも用いられている。

Electron Configurations of Ionsイオンの電子配置

Ions are formed when atoms gain or lose electrons. A cation (positively charged ion) forms when one or more electrons are removed from a parent atom. For main group elements, the electrons that were added last are the first electrons removed. For transition metals and inner transition metals, however, electrons in the s orbital are easier to remove than the d or f electrons, and so the highest ns electrons are lost, and then the (n – 1)d or (n – 2)f electrons are removed. An anion (negatively charged ion) forms when one or more electrons are added to a parent atom. The added electrons fill in the order predicted by the Aufbau principle.

英語のヒント

原子が電子を得たり失ったりすると、イオンになる。もとの原子から電子が1個以上取り除かれると、正に帯電した陽イオンができる。典型元素では、最後に加わった電子が最初に取り除かれる。しかし、遷移金属や内部遷移金属では、s軌道の電子の方がd電子やf電子より取り除きやすい。そのため、最も高いns電子が失われ、次いで(n − 1)dや(n − 2)fの電子が取り除かれる。もとの原子に電子が1個以上加わると、負に帯電した陰イオンができる。加わる電子は、構成原理で予測される順に入る。

Example 6.11例題 6.11

Predicting Electron Configurations of Ionsイオンの電子配置を予測する

What is the electron configuration of:

次のイオンの電子配置を答えなさい。

(a) Na⁺

(b) P^3–

(d) Fe²⁺

(e) Sm³⁺

Solution解法

First, write out the electron configuration for each parent atom. We have chosen to show the full, unabbreviated configurations to provide more practice for students who want it, but listing the core-abbreviated electron configurations is also acceptable.

まず、それぞれのもとの原子の電子配置をすべて書き出す。ここでは、さらに練習したい人のために省略しない完全な配置を示すが、内殻を省略した表記でもよい。

Next, determine whether an electron is gained or lost. Remember electrons are negatively charged, so ions with a positive charge have lost an electron. For main group elements, the last orbital gains or loses the electron. For transition metals, the last s orbital loses an electron before the d orbitals.

次に、電子を得るのか失うのかを判断する。電子は負電荷をもつので、正電荷のイオンは電子を失っている。典型元素では、最後の軌道で電子を得たり失ったりする。遷移金属では、d軌道より先に最後のs軌道から電子を失う。

(a) Na: 1s²2s²2p⁶3s¹. Sodium cation loses one electron, so Na⁺: 1s²2s²2p⁶3s¹ = Na⁺: 1s²2s²2p⁶.

(a) Na: 1s²2s²2p⁶3s¹. ナトリウム陽イオンは電子を1個失うので、 Na⁺: 1s²2s²2p⁶3s¹ = Na⁺: 1s²2s²2p⁶.

(b) P: 1s²2s²2p⁶3s²3p³. Phosphorus trianion gains three electrons, so P³⁻: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

(b) P: 1s²2s²2p⁶3s²3p³. 3価のリン陰イオンは電子を3個得るので、 P³⁻: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Al²⁺: 1s²2s²2p⁶3s¹.

(d) Fe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶. Iron(II) loses two electrons and, since it is a transition metal, they are removed from the 4s orbital Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶.

(d) Fe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶. 鉄(II)では電子を2個失う。遷移金属なので、取り除かれるのは4s軌道の電子である。 Fe²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶.

(e). Sm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶. Samarium trication loses three electrons. The first two will be lost from the 6s orbital, and the final one is removed from the 4f orbital. Sm³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶4f⁵.

(e). Sm: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶. 3価のサマリウム陽イオンは電子を3個失う。最初の2個は6s軌道から、最後の1個は4f軌道から取り除かれる。 Sm³⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁶ = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶4f⁵.

Check Your Learning理解を確かめよう

Which ion with a +2 charge has the electron configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶4d⁵? Which ion with a +3 charge has this configuration?

電子配置が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶4d⁵で、電荷が+2のイオンは何か。同じ電子配置で電荷が+3のイオンは何か。