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

Electron configurations allow us to understand many periodic trends. Covalent radius increases as we move down a group because the n level (orbital size) increases. Covalent radius mostly decreases as we move left to right across a period because the effective nuclear charge experienced by the electrons increases, and the electrons are pulled in tighter to the nucleus. Anionic radii are larger than the parent atom, while cationic radii are smaller, because the number of valence electrons has changed while the nuclear charge has remained constant. Ionization energy (the energy associated with forming a cation) decreases down a group and mostly increases across a period because it is easier to remove an electron from a larger, higher energy orbital. Electron affinity (the energy associated with forming an anion) is more favorable (exothermic) when electrons are placed into lower energy orbitals, closer to the nucleus. Therefore, electron affinity becomes increasingly negative as we move left to right across the periodic table and decreases as we move down a group. For both IE and electron affinity data, there are exceptions to the trends when dealing with completely filled or half-filled subshells.

電子配置により、多くの周期的な傾向を理解できる。同じ族を下へ進むと、n準位、すなわち軌道の大きさが増すため、共有結合半径も大きくなる。同じ周期を左から右へ進むと、電子が受ける有効核電荷が増え、原子核へ強く引き寄せられるため、共有結合半径はおおむね小さくなる。核電荷が一定のまま価電子数が変わるため、陰イオンの半径はもとの原子より大きく、陽イオンの半径は小さい。陽イオンを作る際のエネルギーであるイオン化エネルギーは、同じ族を下へ進むと減少し、同じ周期を横へ進むとおおむね増加する。大きく高エネルギーの軌道ほど、電子を取り除きやすいためである。陰イオンを作る際のエネルギーである電子親和力は、電子が原子核に近い低エネルギー軌道へ入るときに、より有利な発熱過程となる。したがって、周期表を左から右へ進むほど負になり、族を下へ進むほど減少する。イオン化エネルギーと電子親和力のどちらも、副殻が完全に、または半分だけ埋まっている場合には、一般的な傾向からの例外がある。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 67–86練習問題 67–86

Exercise 67問題 67

Based on their positions in the periodic table, predict which has the smallest atomic radius: Mg, Sr, Si, Cl, I.

周期表の位置に基づき、Mg、Sr、Si、Cl、Iのうち原子半径が最も小さいものを予測しなさい。

Solution解き方

Exercise 68問題 68

Based on their positions in the periodic table, predict which has the largest atomic radius: Li, Rb, N, F, I.

周期表の位置に基づき、Li、Rb、N、F、Iのうち原子半径が最も大きいものを予測しなさい。

Exercise 69問題 69

Based on their positions in the periodic table, predict which has the largest first ionization energy: Mg, Ba, B, O, Te.

周期表の位置に基づき、Mg、Ba、B、O、Teのうち第1イオン化エネルギーが最も大きいものを予測しなさい。

Solution解き方

Exercise 70問題 70

Based on their positions in the periodic table, predict which has the smallest first ionization energy: Li, Cs, N, F, I.

周期表の位置に基づき、Li、Cs、N、F、Iのうち第1イオン化エネルギーが最も小さいものを予測しなさい。

Exercise 71問題 71

Based on their positions in the periodic table, rank the following atoms in order of increasing first ionization energy: F, Li, N, Rb

周期表の位置に基づき、F、Li、N、Rbを、第1イオン化エネルギーが小さい順に並べなさい。

Solution解き方

Rb < Li < N < F

Exercise 72問題 72

Based on their positions in the periodic table, rank the following atoms in order of increasing first ionization energy: Mg, O, S, Si

周期表の位置に基づき、Mg、O、S、Siを、第1イオン化エネルギーが小さい順に並べなさい。

Exercise 73問題 73

Atoms of which group in the periodic table have a valence shell electron configuration of ns²np³?

価電子殻の電子配置がns²np³である原子は、周期表の何族に属するか。

Solution解き方

15 (5A)

15族（5A）。

Exercise 74問題 74

Atoms of which group in the periodic table have a valence shell electron configuration of ns²?

価電子殻の電子配置がns²である原子は、周期表の何族に属するか。

Exercise 75問題 75

Based on their positions in the periodic table, list the following atoms in order of increasing radius: Mg, Ca, Rb, Cs.

周期表の位置に基づき、Mg、Ca、Rb、Csを、原子半径が小さい順に並べなさい。

Solution解き方

Mg < Ca < Rb < Cs

Exercise 76問題 76

Based on their positions in the periodic table, list the following atoms in order of increasing radius: Sr, Ca, Si, Cl.

周期表の位置に基づき、Sr、Ca、Si、Clを、原子半径が小さい順に並べなさい。

Exercise 77問題 77

Based on their positions in the periodic table, list the following ions in order of increasing radius: K⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Si⁴⁺.

周期表の位置に基づき、K⁺、Ca²⁺、Al³⁺、Si⁴⁺を、イオン半径が小さい順に並べなさい。

Solution解き方

Si⁴⁺ < Al³⁺ < Ca²⁺ < K⁺

Exercise 78問題 78

List the following ions in order of increasing radius: Li⁺, Mg²⁺, Br^–, Te^2–.

Li⁺、Mg²⁺、Br^–、Te^2–を、イオン半径が小さい順に並べなさい。

Exercise 79問題 79

Which atom and/or ion is (are) isoelectronic with Br⁺: Se²⁺, Se, As^–, Kr, Ga³⁺, Cl^–?

Se²⁺、Se、As^–、Kr、Ga³⁺、Cl^–のうち、Br⁺と等電子的な原子またはイオンをすべて選びなさい。

Solution解き方

Se, As⁻

Exercise 80問題 80

Which of the following atoms and ions is (are) isoelectronic with S²⁺: Si⁴⁺, Cl³⁺, Ar, As³⁺, Si, Al³⁺?

Si⁴⁺、Cl³⁺、Ar、As³⁺、Si、Al³⁺のうち、S²⁺と等電子的な原子またはイオンをすべて選びなさい。

Exercise 81問題 81

Compare both the numbers of protons and electrons present in each to rank the following ions in order of increasing radius: As^3–, Br^–, K⁺, Mg²⁺.

各イオンの陽子数と電子数を比べ、As^3–、Br^–、K⁺、Mg²⁺を、イオン半径が小さい順に並べなさい。

Solution解き方

Mg²⁺ < K⁺ < Br^– < As^3–

Exercise 82問題 82

Of the five elements Al, Cl, I, Na, Rb, which has the most exothermic reaction? (E represents an atom.) What name is given to the energy for the reaction? (Hint: Note the process depicted does not correspond to electron affinity.)

E^{+} (g) + e^{−} ⟶ E (g)

Al、Cl、I、Na、Rbの5元素のうち、次の反応で最も多くの熱を放出するものはどれか。Eは原子を表す。この反応のエネルギーは何と呼ばれるか。ヒント：示された過程は電子親和力には対応しないことに注意。

E^{+} (g) + e^{−} ⟶ E (g)

Exercise 83問題 83

Of the five elements Sn, Si, Sb, O, Te, which has the most endothermic reaction? (E represents an atom.) What name is given to the energy for the reaction?

E (g) ⟶ E^{+} (g) + e^{-}

Sn、Si、Sb、O、Teの5元素のうち、次の反応で最も多くの熱を吸収するものはどれか。Eは原子を表す。この反応のエネルギーは何と呼ばれるか。

E (g) ⟶ E^{+} (g) + e^{-}

Solution解き方

O, IE₁

O、IE₁。

Exercise 84問題 84

The ionic radii of the ions S^2–, Cl^–, and K⁺ are 184, 181, 138 pm respectively. Explain why these ions have different sizes even though they contain the same number of electrons.

S^2–、Cl^–、K⁺のイオン半径は、それぞれ184、181、138 pmである。電子数は同じなのに、大きさが異なる理由を説明しなさい。

Exercise 85問題 85

Which main group atom would be expected to have the lowest second ionization energy?

典型元素の原子のうち、第2イオン化エネルギーが最も小さいと予想されるものは何か。

Solution解き方

Exercise 86問題 86

Explain why Al is a member of group 13 rather than group 3?

Alが3族ではなく13族に属する理由を説明しなさい。

covalent radius

共有結合半径

one-half the distance between the nuclei of two identical atoms when they are joined by a covalent bond

同じ種類の2原子が共有結合したときの、原子核間距離の半分。

effective nuclear charge

有効核電荷

charge that leads to the Coulomb force exerted by the nucleus on an electron, calculated as the nuclear charge minus shielding

原子核が電子に及ぼすクーロン力に対応する電荷。核電荷から遮蔽の効果を差し引いて計算する。

electron affinity

電子親和力

energy change associated with addition of an electron to a gaseous atom or ion

気体の原子またはイオンに電子を1個加える際のエネルギー変化。

ionization energy

イオン化エネルギー

energy required to remove an electron from a gaseous atom or ion

気体の原子またはイオンから電子を1個取り去るのに必要なエネルギー。

isoelectronic

等電子の

group of ions or atoms that have identical electron configurations

同じ電子配置をもつイオンや原子の集まり。