化学・物理

銅イオンの価数の謎

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ひとまず解決

これまで、電子の軌道への入り方を何度か学習してきて、徐々に「わかってきた！」感があったんですが、「あれは例外だから」といって放置していた銅について、ずっと心に引っかかっていました。

前にも書いたな、と思って自分のブログを検索すると、ありました。

岡野の化学（１０５）にて鉄の電子配置の話があり、そういえば、と思い出しました。ビデオセミナー「1160_岡野の化学・特別授業（Ｃｕ＋，Ｃｕ＋＋）」の存在を。

いつか見よう、と思っていたら見なくなるので、予定を変更して銅イオンの価数のもやもやを解消すべく、視聴しました。

 

まず、銅の何がそんなにおかしいのか、復習してみます。

電子は従順な人間のごとく、ルールに従って所定の軌道に収まっていきます。

  • フントの法則：電子は出来るだけ１つの軌道に１つづつ入る。
  • パウリの排他原理：１つの軌道に電子は２個までしか入らない。入る時は逆向きに入る。
  • 入るのに楽な（エネルギーの低い）軌道から入っていく

このルールを銅は思いっきり無視しているのですよね。

（https://www.ptable.com/?lang=ja#Orbital）

４ｓ軌道のほうがエネルギーの順番が低いので、本来は４ｓ軌道を２つの電子で埋めてから３ｄ軌道を埋めるのがルールですが、４ｓ軌道には１つしか入っていない状態で３ｄ軌道が先に埋まっています。

これについては、３ｄ軌道がすべて埋まった状態の方が安定するから（軌道として閉殻状態になる）ということで納得しました。

 

ただ、まだ解決していない問題があります。銅イオンについてです。

銅は１価と２価のイオンになります。そして、２価のほうが安定だということです。

１価のイオンは、最外殻の４ｓ軌道の一つの電子がイオン化するということでわかるのですが、２価のイオンとは一体何なんでしょう？どの電子が次にイオン化するかといえば、３ｄ軌道にある電子となるのですが、わざわざ閉殻状態で安定しているところから取らなくてはなりません。逆に不安定になりそうですよね。

とはいえ、実際に２価のイオンのほうが安定しているというのですから、そこには銅なりの「安定の理由」があるということになりますね。

 

その理由について、ビデオセミナーでひとまずはクリアになりました。（もっと奥は深いようなのですが、ひとまず、ということで）

電子は安定の方向に動くというルールがありますが、自分ひとりの安定ではなく、原子全体としての安定を追求するんです。ますます人間臭くなってきました。

原子全体としての安定には、会社の人間関係をどうやってよくするかを考えるのと同じで、様々な要因を紐解いていかねばなりません。

一番大事なところを端折りますが、次の２つの要素から、銅は２価のほうが全体として安定になるようです。

  • 遮蔽効果：原子核に近い電子が、カーテンのごとく外側の電子を原子核のクーロン力から保護する。そのため外側の原子ほど、原子核のクーロン力の影響を受けない。
  • 電子同士の反発：電子はマイナスの電荷をもっているので、お互いに反発する。ｄ軌道に１０個もの電子があれば、そこには相当の反発力が存在する。それは、閉殻によって得られる安定化効果を上回る。

総合的に、ｄ軌道に１０個電子があった方が安定なのか、それとも一つだしてしまった方が安定なのか。原子核と電子全体の電荷の綱引きでちょうどいいバランスになるように電子は配置され、イオン化します。

ノートに原子核との距離と、エネルギーの順番について書いてまとめました。

 

実は講座で取り上げられていた資料、見覚えあるなぁと思ったら自分でも以前ノートに貼り付けていました。ただ、その時にはなぜｄ軌道から電子が出ていくのか理解できず、ふせんをつけていました。

これでひとまずふせんが外れました。ノートにはまだまだふせんがありますが、取れるとうれしくなりますね。

 

参考サイト：

  • http://hattorigawa.cocolog-nifty.com/blog/2013/02/post-688b.html
  • https://staff.aist.go.jp/a.ohta/japanese/study/REE_ex_fc2.htm
  • http://www.kiriya-chem.co.jp/q&a/q62.html

４／２０（金）の学習記録

学習時間：６ｈ３０ｍ
項目： 岡野の化学（１０３）金属の性質　（残り５％）＋昨日の復習
目標： ３０ｍ                      実績： ２５ｍ

項目： 岡野の化学（１０４）
目標： ２ｈ                         実績： １ｈ３０ｍ
メモ： ビデオ冒頭で話があった、壁にカレンダーに予定を書き込む、読む本を書いておくのを土曜日にやる。やろうと思っていてずっとサボっていた。今やらなくていつやる。

項目： 岡野の化学（１０５）演習問題
目標： ２ｈ 　　　　　実績： １ｈ５０ｍ

項目： 橋元の物理（１）
目標： ３ｈ？ 　　　　実績： 未完了
メモ： 計画を変更。銅のイオンの価数のビデオを視聴してまとめる

項目： 昨日のアルミクラッド材からの疑問点or講座を進める
目標： １ｈ２０ｍ 　実績： ２ｈ４５ｍ
メモ： →内容変更：銅のイオンの価数のビデオを視聴してまとめる

４／２１（土）の行動計画

項目： 昨日の復習＋昨日見た銅の電子配置に関する資料をまとめておく
目標： １ｈ 

項目： 橋元・物理基礎（１）
目標： ２ｈ３０ｍ  

項目： 橋元・物理基礎（２）
目標： ２ｈ３０ｍ

項目： 岡野の化学（１０６）分子の極性
目標： ２ｈ３０ｍ 

項目： 岡野の化学（１０７）無極性分子
目標： ２ｈ３０ｍ 

項目： 岡野の化学（１０８）分子間に働く力　or 明細書を読む
目標： ２ｈ３０ｍ

項目： 作業の時間　展示会関連の情報まとめなど＋壁にカレンダーを設置する
目標： １ｈ３０ｍ 

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