プリンキピア

第7章化学結合と分子の形

Electronic Structures of Cations陽イオンの電子構造

When forming a cation, an atom of a main group element tends to lose all of its valence electrons, thus assuming the electronic structure of the noble gas that precedes it in the periodic table. For groups 1 (the alkali metals) and 2 (the alkaline earth metals), the group numbers are equal to the numbers of valence shell electrons and, consequently, to the charges of the cations formed from atoms of these elements when all valence shell electrons are removed. For example, calcium is a group 2 element whose neutral atoms have 20 electrons and a ground state electron configuration of 1s22s22p63s23p64s2. When a Ca atom loses both of its valence electrons, the result is a cation with 18 electrons, a 2+ charge, and an electron configuration of 1s22s22p63s23p6. The Ca2+ ion is therefore isoelectronic with the noble gas Ar.
英語のヒント
典型元素の原子は陽イオンになるとき、価電子をすべて失い、周期表でその元素より前にある希ガスの電子構造になる傾向がある。第1族(アルカリ金属)と第2族(アルカリ土類金属)では、族番号は価電子殻の電子数に等しい。したがって、価電子殻の電子をすべて取り除いてできる陽イオンの電荷にも等しくなる。たとえば、カルシウムは第2族の元素であり、中性原子は20個の電子をもち、基底状態の電子配置は1s22s22p63s23p64s2である。Ca原子が2個の価電子をともに失うと、18個の電子と2+の電荷をもち、電子配置が1s22s22p63s23p6の陽イオンになる。したがって、Ca2+イオンは希ガスArと等電子である。
For groups 13–17, the group numbers exceed the number of valence electrons by 10 (accounting for the possibility of full d subshells in atoms of elements in the fourth and greater periods). Thus, the charge of a cation formed by the loss of all valence electrons is equal to the group number minus 10. For example, aluminum (in group 13) forms 3+ ions (Al3+).
英語のヒント
第13〜17族では、族番号は価電子数より10大きい。これは、第4周期以降の元素の原子ではd副殻が満たされうることを考慮したものである。したがって、価電子をすべて失ってできる陽イオンの電荷は、族番号から10を引いた数に等しい。たとえば、第13族のアルミニウムは3+のイオン(Al3+)になる。
Exceptions to the expected behavior involve elements toward the bottom of the groups. In addition to the expected ions Tl3+, Sn4+, Pb4+, and Bi5+, a partial loss of these atoms’ valence shell electrons can also lead to the formation of Tl+, Sn2+, Pb2+, and Bi3+ ions. The formation of these 1+, 2+, and 3+ cations is ascribed to the inert pair effect, which reflects the relatively low energy of the valence s-electron pair for atoms of the heavy elements of groups 13, 14, and 15. Mercury (group 12) also exhibits an unexpected behavior: it forms a diatomic ion, Hg22+ (an ion formed from two mercury atoms, with an Hg-Hg bond), in addition to the expected monatomic ion Hg2+ (formed from only one mercury atom).
英語のヒント
族の下のほうにある元素には、予想される振る舞いから外れるものがある。予想どおりのTl3+、Sn4+、Pb4+、Bi5+に加え、価電子殻の電子の一部だけを失うことで、Tl+、Sn2+、Pb2+、Bi3+の各イオンもできる。これらの1+、2+、3+の陽イオンができるのは、不活性電子対効果によるとされる。この効果は、第13、14、15族の重い元素の原子で、価電子のs電子対のエネルギーが比較的低いことを反映している。水銀(第12族)も予想外の振る舞いを示す。予想される単原子イオンHg2+(水銀原子1個だけからなる)に加え、二原子イオンHg22+(2個の水銀原子からなり、Hg-Hg結合をもつ)をつくる。
Transition and inner transition metal elements behave differently than main group elements. Most transition metal cations have 2+ or 3+ charges that result from the loss of their outermost s electron(s) first, sometimes followed by the loss of one or two d electrons from the next-to-outermost shell. For example, iron (1s22s22p63s23p63d64s2) forms the ion Fe2+ (1s22s22p63s23p63d6) by the loss of the 4s electrons and the ion Fe3+ (1s22s22p63s23p63d5) by the loss of the 4s electrons and one of the 3d electrons. Although the d orbitals of the transition elements are—according to the Aufbau principle—the last to fill when building up electron configurations, the outermost s electrons are the first to be lost when these atoms ionize. When the inner transition metals form ions, they usually have a 3+ charge, resulting from the loss of their outermost s electrons and a d or f electron.
英語のヒント
遷移金属元素と内部遷移金属元素の振る舞いは、典型元素とは異なる。多くの遷移金属陽イオンは2+または3+の電荷をもつ。これは、まず最外殻のs電子を失い、場合によってはさらに、その1つ内側の殻のd電子を1個または2個失うためである。たとえば鉄(1s22s22p63s23p63d64s2)は、4s電子を失うとFe2+(1s22s22p63s23p63d6)イオンになる。4s電子と3d電子1個を失うと、Fe3+(1s22s22p63s23p63d5)イオンになる。構成原理に従って電子配置をつくるとき、遷移元素のd軌道は最後に満たされる。それでも、これらの原子がイオン化するとき最初に失われるのは、最外殻のs電子である。内部遷移金属がイオンになるときは、通常3+の電荷をもつ。最外殻のs電子と、d電子またはf電子1個を失うためである。
Example 7.1例題 7.1

Determining the Electronic Structures of Cations陽イオンの電子構造を求める

There are at least 14 elements categorized as “essential trace elements” for the human body. They are called “essential” because they are required for healthy bodily functions, “trace” because they are required only in small amounts, and “elements” in spite of the fact that they are really ions. Two of these essential trace elements, chromium and zinc, are required as Cr3+ and Zn2+. Write the electron configurations of these cations.
英語のヒント
人体の「必須微量元素」に分類される元素は、少なくとも14種類ある。健康な身体機能に必要なため「必須」と呼ばれ、必要量が少ないため「微量」と呼ばれる。また、実際にはイオンであるにもかかわらず「元素」と呼ばれる。そのうちクロムと亜鉛は、Cr3+とZn2+として必要である。これらの陽イオンの電子配置を書け。

Solution解答

First, write the electron configuration for the neutral atoms:
まず、中性原子の電子配置を書く。
Zn: [Ar]3d104s2
Zn: [Ar]3d104s2
Cr: [Ar]3d54s1
Cr: [Ar]3d54s1
Next, remove electrons from the highest energy orbital. For the transition metals, electrons are removed from the s orbital first and then from the d orbital. For the p-block elements, electrons are removed from the p orbitals and then from the s orbital. Zinc is a member of group 12, so it should have a charge of 2+, and thus loses only the two electrons in its s orbital. Chromium is a transition element and should lose its s electrons and then its d electrons when forming a cation. Thus, we find the following electron configurations of the ions:
英語のヒント
次に、最もエネルギーの高い軌道から電子を取り除く。遷移金属では、まずs軌道から、次いでd軌道から取り除く。pブロックの元素では、p軌道から取り除いた後、s軌道から取り除く。亜鉛は第12族なので、電荷は2+となるはずであり、s軌道の2個の電子だけを失う。クロムは遷移元素で、陽イオンになるときはs電子を失ってからd電子を失う。したがって、それぞれのイオンの電子配置は次のようになる。
Zn2+: [Ar]3d10
Zn2+: [Ar]3d10
Cr3+: [Ar]3d3
Cr3+: [Ar]3d3

Check Your Learning理解を確かめよう

Potassium and magnesium are required in our diet. Write the electron configurations of the ions expected from these elements.
英語のヒント
カリウムとマグネシウムは、食事から摂取する必要がある。これらの元素からできると予想されるイオンの電子配置を書け。