第6章電子構造と元素の周期的性質

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

The relative energy of the subshells determine the order in which atomic orbitals are filled (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, and so on). Electron configurations and orbital diagrams can be determined by applying the Pauli exclusion principle (no two electrons can have the same set of four quantum numbers) and Hund’s rule (whenever possible, electrons retain unpaired spins in degenerate orbitals).

副殻の相対的なエネルギーが、原子軌道を埋める順序（1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、…）を決める。電子配置と軌道図は、パウリの排他原理とフントの規則を適用して求められる。排他原理は、2つの電子が同じ4つの量子数の組をもてないことを示す。フントの規則は、縮退した軌道では、可能な限り電子のスピンを対にせずに保つことを示す。

Electrons in the outermost orbitals, called valence electrons, are responsible for most of the chemical behavior of elements. In the periodic table, elements with analogous valence electron configurations usually occur within the same group. There are some exceptions to the predicted filling order, particularly when half-filled or completely filled orbitals can be formed. The periodic table can be divided into three categories based on the orbital in which the last electron to be added is placed: main group elements (s and p orbitals), transition elements (d orbitals), and inner transition elements (f orbitals).

最外殻の軌道にある価電子が、元素の化学的な振る舞いの大部分を担う。周期表では、価電子配置が類似した元素は通常、同じ族に現れる。予測される軌道充填順序には例外があり、特に半分埋まった軌道や完全に埋まった軌道を作れる場合に生じる。周期表は、最後に加わる電子の入る軌道に応じて、典型元素（s軌道とp軌道）、遷移元素（d軌道）、内部遷移元素（f軌道）の3つに分類できる。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 46–66練習問題 46–66

Exercise 46問題 46

Read the labels of several commercial products and identify monatomic ions of at least four transition elements contained in the products. Write the complete electron configurations of these cations.

いくつかの市販製品の表示を読み、含まれる単原子イオンを、少なくとも4種類の遷移元素について見つけなさい。それらの陽イオンの電子配置を省略せずに書きなさい。

Exercise 47問題 47

Read the labels of several commercial products and identify monatomic ions of at least six main group elements contained in the products. Write the complete electron configurations of these cations and anions.

いくつかの市販製品の表示を読み、含まれる単原子イオンを、少なくとも6種類の典型元素について見つけなさい。それらの陽イオンと陰イオンの電子配置を省略せずに書きなさい。

Solution解き方

For example, Na⁺: 1s²2s²2p⁶; Ca²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶; Sn²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²; F^–: 1s²2s²2p⁶; O^2–: 1s²2s²2p⁶; Cl^–: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

たとえば、 Na⁺: 1s²2s²2p⁶; Ca²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶; Sn²⁺: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²; F^–: 1s²2s²2p⁶; O^2–: 1s²2s²2p⁶; Cl^–: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Exercise 48問題 48

Using complete subshell notation (not abbreviations, 1s²2s²2p⁶, and so forth), predict the electron configuration of each of the following atoms:

1s²2s²2p⁶…のように、副殻を省略せずすべて書く表記を使って、次の各原子の電子配置を予測しなさい。

(a) C

(b) P

(d) Sb

(e) Sm

Exercise 49問題 49

Using complete subshell notation (1s²2s²2p⁶, and so forth), predict the electron configuration of each of the following atoms:

1s²2s²2p⁶…のように、副殻をすべて書く表記を使って、次の各原子の電子配置を予測しなさい。

(a) N

(b) Si

(d) Te

(e) Tb

Solution解き方

(a) 1s²2s²2p³; (b) 1s²2s²2p⁶3s²3p²; (c) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶; (d) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁴; (e) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁹

Exercise 50問題 50

Is 1s²2s²2p⁶ the symbol for a macroscopic property or a microscopic property of an element? Explain your answer.

1s²2s²2p⁶は、元素の巨視的な性質と微視的な性質のどちらを表す記号か。理由を説明しなさい。

Exercise 51問題 51

What additional information do we need to answer the question “Which ion has the electron configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶”?

「電子配置が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶であるイオンは何か」という問いに答えるには、さらにどのような情報が必要か。

Solution解き方

The charge on the ion.

イオンの電荷。

Exercise 52問題 52

Draw the orbital diagram for the valence shell of each of the following atoms:

次の各原子の価電子殻の軌道図を描きなさい。

(a) C

(b) P

(d) Sb

(e) Ru

Exercise 53問題 53

Use an orbital diagram to describe the electron configuration of the valence shell of each of the following atoms:

軌道図を使って、次の各原子の価電子殻の電子配置を示しなさい。

(a) N

(b) Si

(d) Te

(e) Mo

Solution解き方

(a)

横1列に、2sと記された箱1個と、2pと記されたつながった箱3個が並ぶ。2sには上向きと下向きの片矢羽の矢印が1本ずつ、2pの各箱には上向き矢印が1本ずつある。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

(b)

横1列に、2sと記された箱1個と、2pと記されたつながった箱3個が並ぶ。2sには上向きと下向きの片矢羽の矢印が1本ずつある。2pの最初の2つの箱には上向き矢印が1本ずつあり、3つ目は空である。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

(c)

横1列に、4sと記された箱1個と、3dと記されたつながった箱5個が並ぶ。4sと3dの最も左の箱には上向きと下向きの片矢羽の矢印が1本ずつあり、残りの各箱には上向き矢印が1本ずつある。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

(d)

横1列に、5s²と記された箱1個と、5p⁴と記されたつながった箱3個が並ぶ。最初の箱と、つながった箱の最も左には上向きと下向きの片矢羽の矢印が1本ずつあり、残りの各箱には上向き矢印が1本ずつある。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

(e)

横1列に、5sと記された箱1個と、4d⁵と記されたつながった箱5個が並ぶ。すべての箱に上向き矢印が1本ずつある。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Exercise 54問題 54

Using complete subshell notation (1s²2s²2p⁶, and so forth), predict the electron configurations of the following ions.

1s²2s²2p⁶…のように、副殻をすべて書く表記を使って、次の各イオンの電子配置を予測しなさい。

(a) N^3–

(b) Ca²⁺

(d) Cs²⁺

(e) Cr²⁺

(f) Gd³⁺

Exercise 55問題 55

Which atom has the electron configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d²?

電子配置が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d²である原子は何か。

Solution解き方

Exercise 56問題 56

Which atom has the electron configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²?

電子配置が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²である原子は何か。

Exercise 57問題 57

Which ion with a +1 charge has the electron configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶? Which ion with a –2 charge has this configuration?

電子配置が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶で、電荷が+1のイオンは何か。同じ電子配置で電荷が−2のイオンは何か。

Solution解き方

Rb⁺, Se²⁻

Exercise 58問題 58

Which of the following atoms contains only three valence electrons: Li, B, N, F, Ne?

Li、B、N、F、Neのうち、価電子をちょうど3個もつ原子はどれか。

Exercise 59問題 59

Which of the following has two unpaired electrons?

次のうち、不対電子を2個もつものはどれか。

(a) Mg

(b) Si

(d) Both Mg and S

(d) MgとSの両方。

(e) Both Si and S.

(e) SiとSの両方。

Solution解き方

Although both (b) and (c) are correct, (e) encompasses both and is the best answer.

(b)と(c)はいずれも正しいが、(e)は両方を含むため、最も適切な答えである。

Exercise 60問題 60

Which atom would be expected to have a half-filled 6p subshell?

6p副殻が半分埋まっていると予想される原子は何か。

Exercise 61問題 61

Which atom would be expected to have a half-filled 4s subshell?

4s副殻が半分埋まっていると予想される原子は何か。

Solution解き方

Exercise 62問題 62

In one area of Australia, the cattle did not thrive despite the presence of suitable forage. An investigation showed the cause to be the absence of sufficient cobalt in the soil. Cobalt forms cations in two oxidation states, Co²⁺ and Co³⁺. Write the electron structure of the two cations.

英語のヒント

オーストラリアのある地域では、適した牧草があるにもかかわらず、牛が十分に育たなかった。調査から、土壌中のコバルトの不足が原因だとわかった。コバルトはCo²⁺とCo³⁺という2つの酸化状態の陽イオンを作る。それぞれの陽イオンの電子構造を書きなさい。

Exercise 63問題 63

Thallium was used as a poison in the Agatha Christie mystery story “The Pale Horse.” Thallium has two possible cationic forms, +1 and +3. The +1 compounds are the more stable. Write the electron structure of the +1 cation of thallium.

アガサ・クリスティーの推理小説『蒼ざめた馬』では、タリウムが毒として使われた。タリウムの陽イオンには+1と+3の2つの形があり、+1の化合物の方が安定である。タリウムの+1陽イオンの電子構造を書きなさい。

Solution解き方

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰

Exercise 64問題 64

Write the electron configurations for the following atoms or ions:

次の原子またはイオンの電子配置を書きなさい。

(a) B³⁺

(b) O^–

(d) Ca²⁺

(e) Ti

Exercise 65問題 65

Cobalt–60 and iodine–131 are radioactive isotopes commonly used in nuclear medicine. How many protons, neutrons, and electrons are in atoms of these isotopes? Write the complete electron configuration for each isotope.

コバルト60とヨウ素131は、核医学で広く用いられる放射性同位体である。それぞれの原子には、陽子、中性子、電子が何個あるか。各同位体の電子配置を省略せずに書きなさい。

Solution解き方

Co has 27 protons, 27 electrons, and 33 neutrons: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁷. I has 53 protons, 53 electrons, and 78 neutrons: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁵.

Coは陽子27個、電子27個、中性子33個： 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁷. Iは陽子53個、電子53個、中性子78個： 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁵.

Exercise 66問題 66

Write a set of quantum numbers for each of the electrons with an n of 3 in a Sc atom.

Sc原子のn = 3の電子について、電子ごとに量子数の組を書きなさい。

Aufbau principle

構成原理

procedure in which the electron configuration of the elements is determined by “building” them in order of atomic numbers, adding one proton to the nucleus and one electron to the proper subshell at a time

原子番号の順に、原子核に陽子を1個、適切な副殻に電子を1個ずつ加えて「組み立てる」ことで、各元素の電子配置を決める手順。

core electron

内殻電子

electron in an atom that occupies the orbitals of the inner shells

原子の内側の電子殻の軌道を占める電子。

electron configuration

電子配置

listing that identifies the electron occupancy of an atom’s shells and subshells

原子の電子殻と副殻を電子がどのように占めるかを示す表記。

Hund’s rule

フントの規則

every orbital in a subshell is singly occupied with one electron before any one orbital is doubly occupied, and all electrons in singly occupied orbitals have the same spin

ある副殻では、どの軌道にも電子が2個入る前に、各軌道に1個ずつ電子が入る。電子1個で占められた軌道の電子は、すべて同じスピンをもつ。

orbital diagram

軌道図

pictorial representation of the electron configuration showing each orbital as a box and each electron as an arrow

各軌道を箱、各電子を矢印で表した、電子配置の図。

valence electrons

価電子

electrons in the high energy outer shell(s) of an atom

原子の、エネルギーの高い外側の電子殻にある電子。

valence shell

価電子殻

high energy outer shell(s) of an atom

原子の、エネルギーの高い外側の電子殻。