元素の族

4月 24, 2021admin

CONCEPT

「族」という用語は、観察可能な挙動だけでなく、原子構造に関しても特定の特性を共有する元素を表すために使用されます。たとえば、すべての希ガスは非常に非反応性である傾向があります。他の元素と結合するものはごくわずかで、すべての物質の中で最も反応性の高いフッ素と結合するものだけです。フッ素はハロゲン族に属し、気体、固体、室温で固体として存在する2つの元素のうちの1つである臭素と、非常に多くの共通点があるため、一緒に分類されているのだ。このような明らかな違いにもかかわらず、電子配置が共通であることから、ハロゲンは1つの族として識別されています。周期表の族には、希ガスとハロゲンの他に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ランタノイド、アクチノイドがある。

HOW IT WORKS

周期表の基本

1869年に作成され、その後何度か修正された、ロシアの化学者 Dmitri Ivanovitch Mendeleev (1834-1907) が開発した元素周期表は、元素を組織する非常に役に立つ手段となっています。確かに他の体系も存在するが、メンデレーエフの表が最も広く使われているのは、それなりの理由があるからである。

周期表については、この主題に捧げられたエッセイで詳しく検討されていますが、その中で、北米とその他の地域で周期表チャートに使用されているシステムが異なっていることが述べられています。特に、北米の方式では8グループにのみ番号を付け、10カラムには番号を付けない。一方、国際純正・応用化学連合（IUPAC）が承認した方式では、18カラムすべてに番号を付ける。

北米式で番号付けされたグループは、表の「くぼみ」の左側にある 2 つの「高い」列と、その右側にある 6 つの「高い」列です。 1群は水素とアルカリ金属、2群はアルカリ土類金属、3群から6群は金属、非金属、金属化合物、7群はハロゲン、8群は希ガスである。 4～7期の10列にまたがる「ディップ」は、遷移金属が記載されている領域である。

一方、IUPAC のシステムは、各列に番号を提供するという明らかな利便性を提供します。

一方、IUPAC システムでは、各列に番号を付けるという明らかな利便性があります (北米のチャートと同様、IUPAC チャートはランタノイドとアクチノイドの列番号を提供していないことに注意してください)。さらにIUPACは、元素の命名、新元素への化学記号の割り当て、特定の個人や研究チームをその元素の発見者として認定するなど、周期表に関する多くの事柄を監督する1919年に設立された国際機関の権威を背景に持っているのである。

国際的にIUPAC方式が受け入れられ、利便性の面でもメリットがあるにもかかわらず、本書では一般に北米方式が用いられている。その理由は、アメリカのほとんどの学校がいまだにこの方式を採用していることもありますが、さらに、これから述べるように、8つのグループだけに番号を割り当てるという理由もあります。

主要なエネルギー準位

北米システムのグループ番号は、価電子、または化学結合に関与する電子の数を示しています。

電子は、太陽の周りを回る惑星のように、規則的な軌道で原子核の周りを移動するわけではありません。むしろ、電子が移動しそうな領域に関する確率のパターンである軌道の観点から、その経路を大まかに定義することができるだけです。

主エネルギー準位は、1から7までの整数で表され、数字が大きくなるほど、電子は原子核から離れ、原子のエネルギーは大きくなります。主エネルギー準位と周期の関係は、比較的簡単に示すことができる。周期表におけるある周期の番号nは、その列にある原子の最も高い主エネルギー準位、つまり価電子が占める主エネルギー準位の番号と同じである。したがって、周期 1 の元素は最高主エネルギー準位が 1 であり、以下同様です。

価電子配置

しかし、元素の族について話し合うとき、周期表の周期または行は、族または列ほど重要ではありません。

各主エネルギー準位は、主エネルギー準位の数 n に対応するサブレベルに分割されており、主エネルギー準位 1 は 1 つのサブレベル、主エネルギー準位 2 は 2 つのサブレベル、といった具合です。予想されるように、主エネルギー準位とサブレベルが増加すると、軌道の複雑さが増します。

軌道のパターンには、s、p、d、および f という 4 つの基本的なタイプがあります。

p 型は原子核の周りの8の字のようであり、d 型は原子核で2つの8の字が合わさったような形です。

p型は原子核を中心とした8の字型、d型は2つの8の字が原子核で合わさったような形をしています。

f 軌道のパターンは非常に複雑で、ほとんどの基礎化学の教科書では説明しようとさえしませんし、f 以外にもさらに複雑なパターンがあり、アルファベット順に g、h、… と指定されています。この後の議論では、ランタノイドとアクチノイドでさえ、基底状態の原子は f を超える軌道パターンを満たさないので、これらには触れません。

Principal Energy Level 1 には s サブレベルしかなく、2 には s と p があり、後者は空間内で 3 方向の可能性があり、3 には s、p、d (5 方向の可能性) があり、4 には s、p、d、f (7 方向の可能性) がある。

パウリの排他原理によると、2 個の電子だけが 1 つの軌道パターン、つまり s サブレベルまたは p、d、f のいずれかの空間配向を占めることができ、それらの 2 個の電子は反対方向に回転していなければなりません。したがって、2個の電子はs軌道パターンまたはシェル内を、6個はp軌道パターンまたはシェル内を、10個はd軌道パターンまたはシェル内を、14個はf軌道パターンまたはシェル内を移動することが可能である。例えば、s軌道の電子が1個ならs 1、d軌道が完全に埋まっている場合はd 10となる。

実生活への応用

水素 (原子番号 1) は、すべての原子構造の中で最も単純で、主エネルギー準位 1 にたった 1 つの電子を持っており、事実上、その価電子は中心電子でもあるのです。電子論で述べたように、水素原子 (または他の原子) が励起状態にある場合、通常の状態 (基底状態) を超えるエネルギーレベルに達することがあります。

周期表をまっすぐ下に進み、水素と同じ列のフランシウム (原子番号 87) は、7s 1 という価電子配置を持っていることがわかります。このように、フランシウムは水素よりもはるかに複雑でエネルギーに満ちていますが、2つの元素は同じ価電子配置を持っており、主エネルギー準位の数だけが異なっているのです。したがって、第1族で水素以下の元素はすべてアルカリ金属に分類される。

次に、第2族の2つの元素、ベリリウム（原子番号4）とラジウム（88）をそれぞれ上と下から見てみましょう。ベリリウムの価電子帯配置は2s 2です。これは価電子が主エネルギー準位2にあることを意味し、s軌道上に2個の電子が存在することになる。ラジウムは第7周期でありながら、同じ価電子帯を持つ。 7s 2.

ここで、3族から6族はもちろん、北米式では番号のない2族と3族の間の列も無視して、7族に飛ぼう。この列の元素はすべてハロゲンとして知られ、価電子帯はns 2np 5である。 7族の次は8族で、1族を除いてすべてns 2np 6の価数配位を持つ希ガスである。例外はヘリウムで、価電子帯はs 2である。これはアルカリ土類金属と同じように思えるが、もちろんヘリウムは金属ではない。

これらの価電子帯の構成は、元素が結合する方法に関して、化学結合のエッセイで詳しく説明したような意味を持ちます。ここでは、電子の配置が観察可能な結果を生むという事実を明確にするために、ほんの少し考慮します。これは、希ガスで最も明白で、他のほとんどの元素との結合に抵抗する傾向がありますが、それは、他のほとんどの原子が結合した後にのみ得られるのと同じ数の価電子をすでに価電子帯に有しているからです。この44種のうち43種は、価電子数が北米式の群番号と同じである。 (8族でありながら2個の価電子を持つヘリウムは唯一の例外である)。一方、図の真ん中の「くぼみ」にある40の元素、すなわち遷移金属は、あまり簡単に定義できないパターンを持っている。

しかし、遷移金属を扱う前に、代表元素と遷移元素を区別する、軌道充填のパターンを考えてみましょう。

しかし、遷移金属を取り上げる前に、代表元素と遷移元素の違いでもある軌道充填のパターンを考えてみましょう。 The total number of electrons—not just valence shell electrons—is the same as the atomic number. Thus fluorine, with an atomic number of 9, has a complete configuration of 1s 22s 22p 5. Neon, directly following it with an atomic number of 10, has a total configuration of 1s 22s 22p 6. (Again, this is not the same as the valence shell configuration, which is contained in the last two sub-levels represented: for example, 2s 22p 6 for neon.)

The chart that follows shows the pattern by which orbitals are filled. Note that in several places, the pattern of filling becomes “out of order,” something that will be explained below.

Orbital Filling by Principal Energy Level

1s (2)
2s (2)
2p (6)
3s (2)
3p (6)
4s (2)
3d (10)
4p (6)
5s (2)
4d (10)
5p (6)
6s (2)
4f (14)
5d (10)
6p (6)
7s (2)
5f (14)
6d (10)

PATTERNS OF ORBITAL FILLING（オービタル・フィリング）。

一般に、44 の代表的な元素は軌道充填の規則的なパターンに従っており、特に最初の 18 の元素についてはそうなっています。円錐形の小さな円形劇場があり、前方に小さな座席の列があると想像してください。

最前列の 2 つの座席は、1 または 1s とラベル付けされたセクションを構成し、ヘリウム (原子番号 2) が観客席に入ると、ここは完全に埋め尽くされます。今度は、元素が2つの列を含むセクション2を埋め始めます。 2sと書かれた1列目も2席で、ベリリウム(4)の後に満席になる。 2p列は6席で、ネオン(10)が入ってようやく満席になる。これで2列目はすべて埋まりましたので、11番目の元素であるナトリウムが3列目の最初の列から3列目を埋め始めます。この列は3s列であり、他のs列と同様に2席しかない。

これまでのパターンからすると、19番目の元素（カリウム）は、10席あるうちの最初の席に座って、3d列を埋め始めるはずです。

これまで確立されたパターンでは、19番元素（カリウム）は、3d列の10席のうち最初の席に座って、3d列を埋め始めるはずです。その代わりに、4列のセクション4に移動し、その最初の列、4sの最初の席に座ります。カルシウム(20)がそれに続き、4s列を埋める。しかし、次の元素であるスカンジウム(21)が劇場に入ってくると、カリウムが「行くべき」場所である3d列に行く。もし、セクションを順番に埋め続けていたら、カリウムが行くはずだった場所である。スカンジウムに続いて、9つの仲間（遷移元素の1列目）が登場し、さらに代表的な元素であるガリウム（31）が劇場に登場します。 (

座席を埋める「正しい」順序によると、3d (したがってセクション 3 のすべて) が埋まったので、ガリウムは 4s の座席に座るはずです。しかし、その席はすでに前の2つの代表的な元素によって取られているので、ガリウムは4pの6つの席のうちの最初の席に座ります。その列がクリプトン（36）で埋まった後、次の代表元素であるルビジウム（37）が4dに座るのが、また「正しい」のです。

前と同じように、次の遷移元素イットリウム（39）が4dを埋め始め、カドミウム（48）がそのセクションを埋めるまで、さらに9つの遷移元素がそれに続きます。その後、代表的な元素であるインジウム（49）が再開され、ガリウムと同様に5pセクションに飛ばされる。

遷移金属

実際には、d サブレベルをスキップするのが代表元素で、戻ってそれを埋めるのが遷移金属という事実を考えると、（中断を意味する）「代表」と「移行」という名前は逆にすべきかと思われるかもしれません。しかし、代表元素の価電子数と族番号の相関を思い出してほしい。

ここで、遷移金属といえどもランタノイドやアクチノイドは別格であることがわかるでしょう。

ここで、ランタノイドとアクチノイドが、遷移金属と区別されている理由を考えてみましょう。同様に、アクチニウム（89）はラザホージウム（104）に続いている。ランタニドとアクチニドという「欠落した」金属は、それぞれ表の一番下に記載されています。

代表的な元素であるバリウム（56）で6s軌道が埋まった後、ランタンは遷移金属らしく5d軌道を埋めるようになるのです。しかし、ランタンに続いて、セリウム（58）が5dの充填をやめ、4f軌道の充填に移るという奇妙なことが起こる。この軌道の充填は、ルテチウム(71)に至るまで、ランタノイドの全シリーズで続いている。したがって、ランタノイドは4f軌道を満たす金属と定義できるが、ランタンも同様の性質を示すので、通常はランタノイドに含まれる。

アクチノイドも同じようなものです。

同様のパターンがアクチノイドにもあります。7s軌道はラジウム（88）で満たされ、その後、アクチニウム（89）が6d軌道を満たし始めます。次にトリウムが来て、アクチノイドの中で最初に5f軌道の充填を開始します。そして、103番元素のローレンシウムで完成する。アクチノイドは、このように 5f 軌道を満たす金属として定義されますが、やはり、アクチニウムが同様の性質を示すので、通常はアクチノイドに含まれます。

金属、非金属、および金属化合物

読者は、これまでに特定された 7 つの族について、色、物質の相、結合特性など、より容易に識別できる性質では、一般的に議論されてこなかったことに気づかれるでしょう。その代わりに、ファミリーを特定するための強固な化学的基盤を提供する軌道充填の観点から主に考察してきた。

また、これまでに特定された族は、周期表に記載されている合計 112 種類の元素のうち、水素、アルカリ金属 6 種類、アルカリ土類金属 6 種類、ハロゲン 5 種類、希ガス 6 種類、遷移金属 40 種類、ランタノイド 14 種類、アクチノイド 14 種類の、わずか 92 種類であることに留意してください。残りの20個はどうなっているのだろうか。元素族の議論では、第3族から第6族に属するこれらの元素を独自の族に割り当てることがありますが、これについては簡単に触れておきます。しかし、これらの「族」はすべての化学者に認識されているわけではないので、本書では 3 ～ 6族の 20 元素を一般に金属、非金属、および金属化合物として説明します。

金属と非金属

金属は外観が光沢があり、壊れずにさまざまな形状に成形できるという意味で、可鍛性があります。熱と電気の優れた伝導体であり、電子を失って正イオンを形成する傾向があります。周期表では、金属は表の左側、中央、右側の一部を埋めている。したがって、ほとんどの元素（実に87種類）が金属であることは、驚くにはあたらない。

非金属は鈍い外観を持ち、可鍛性がなく、熱と電気の伝導性が低く、電子を獲得してマイナスイオンを形成する傾向があります。

非金属は、外観がくすんでいて、可鍛性に乏しく、熱や電気を伝えにくく、電子を獲得してマイナスイオンを形成する傾向があります。非金属は、周期表の右上に位置し、希ガス、ハロゲン、第3族から第5族の7元素が含まれる。ホウ素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、セレンの7元素が非金属の “孤児 “たちである。この7つの孤児に、8番目の元素である1族の水素を加えることができる。金属と同様、「孤児」に特別な焦点を当てた別の小論が、非金属に費やされています

メタロイドとその他の「ファミリー」h4

金属と非金属の間の対角線上にあるのは、金属と非金属の両方の特性を示す元素であるメタロイドです。これらはすべて固体ですが、光沢がなく、熱と電気を適度に伝導します。メタロイドは、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル、ポロニウムの6種類である。

資料によっては、第3族から第6族まで、金属、金属化合物、非金属の「オーファン」の集まりではなく、「ファミリー」として挙げているものもあります。これらの呼称は本書では使用しませんが、簡単に触れておきます。第3族はホウ素族、第4族は炭素族、第5族は窒素族、第6族は酸素族と呼ばれることがある。 5 族はプニクトゲン、6 族はカルコゲンと呼ばれることもあります。

WHERE TO LEARN MORE

Bankston, Sandy. 「Explore the Periodic Table and Families of Elements” The Rice School Science Department (Web site). <http://www.ruf.rice.edu/~sandyb/Lessons/chem.html> (May 23, 2001).

Challoner, Jack. 化学のビジュアルディクショナリー。 New York: DK Publishing, 1996.

「Elementistory」（Webサイト）。 <http://smallfry.dmu.ac.uk/chem/periodic/elementi.html> (May 22, 2001).

「元素の族」（Webサイト）. <http://homepages.stuy.edu/~bucherd/ch23/families.html> (May 23, 2001).

Knapp, Brian J. and David Woodroffe. The Periodic Table. Danbury, CT: Grolier Educational, 1998.

Maton, Anthea. Exploring Physical Science. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1997.

Oxlade, Chris. Elements and Compounds. Chicago: Heinemann Library, 2001.

“The Pictorial Periodic Table” (Web site). <http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/periodic.html> (May 22, 2001).

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“Visual Elements” (Web site). <http://www.chemsoc.org/viselements/> (May 22, 2001).

KEY TERMS

ACTINIDES:

Those transition metalsthat fill the 5f orbital.

ALKALI METALS:

水素を除く、元素周期表第 1 族のすべてのメンバーで、価電子配置が ns 1 であるもの。

ALKALINE EARTH METALS:

元素の周期律表の第 2 族で、価電子配置は ns 2 です。

ELECTRON CLOUD:

軌道が形成するパターンを表す用語です。

FAMILIES OF ELEMENTS:

希ガス、ハロゲン、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ランタノイド、およびアクチノイドなどの関連する元素。さらに、金属、非金属、および金属族は、緩やかに定義されたファミリーを形成しています。

GROUND STATE:

通常のエネルギーレベルにおける原子の状態を説明する用語。

HALOGENS:

元素の周期表の第 7 群で、価電子配置が ns 2np 5 であるもの。

ION:

原子または原子が 1 つ以上の電子を失ったり得たりして、正味の電荷を持つこと。

LANTHANIDES:

4f 軌道を満たす遷移金属。

元素群：

元素周期表の 1～8 族の 44 元素で、価電子の数が族番号と等しいものです。 (主族元素は代表元素とも呼ばれ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、希ガス、およびその他の金属、非金属、金属化合物を含みます。

金属化合物

金属と非金属の両方の特性を示す元素。すべて固体ですが、光沢はなく、熱と電気を適度に伝えます。周期表の右側、金属と非金属の間の対角線上の領域を占めるのが6種類の金属元素です。

金属

アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ランタノイド、アクチノイドなどの多くの族と、3～5族の7元素を含む87元素の集合体です。周期表の左側、中央、右側の一部を占める金属は、外観に光沢があり、さまざまな形状に成形しても壊れない可鍛性を持っている。

希ガス

元素の周期表の第 8 グループで、ヘリウムを除くすべての元素は、価電子配置が ns 2np 6 です。

非金属

鈍い外観を持ち、可鍛性がなく、熱と電気の伝導性が低く、電子を獲得して負イオンを形成する傾向がある元素です。したがって、その名前にふさわしく、ほとんどの点で金属と正反対です。水素以外の 18 種類の非金属は、周期表の右上を占め、希ガス、ハロゲン、および第 3～6 群の 7 つの元素を含みます。

ORBITAL:

特定のエネルギー状態における原子の電子の位置に関する確率のパターン。主エネルギー準位が高いほど、軌道のパターンはより複雑になります。

PERIODIC TABLE OF ELEMENTS:

元素を原子番号順に並べた表で、化学記号と平均原子質量 (原子質量単位) が表示されています。

PRINCIPAL ENERGY LEVEL:

電子が原子の原子核から離れることができる距離を示す値です。 1 から始まる整数で指定されます。

REPRESENTATIVE ELEMENTS:

主族元素を参照。

TRANSITION METALS:

北米版の周期表では群番号を割り当てていない 40 の元素からなるグループ。これらは、d 軌道を満たす唯一の元素です。

価電子

原子の中で最も高いエネルギー準位を占める電子のこと。これらは、化学結合に関与する電子です

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