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物理化学
福井工業大学 工学部
環境生命化学科
原 道寛
物理化学：1章原子の内部
（メニュー）
1-1.
• 光の性質と原子のスペクトル
1-2.
• ボーアの水素原子モデル
1-3.
• 電子の二重性：波動力学
1-4.
• 水素原子の構造
1-5.
• 多電子原子の構造
1-6.
• 元素の諸性質と電子配置との関わり
1-5. 多電子原子の構造
水素原子1s, 2s , 3s・・・軌道 ⇒ 複雑な分子にも適応
原子核の電荷が 大きい
A
内部の電子は核の近くまで引き付けられ
B
軌道の広がりも 小さく
なる
占有する電子のエネルギーは
C 低く なる
水素原子(1s)より
水素原子
核
占有する電子の
エネルギー
D
＞
多電子原子
核
多電子原子は水素とは違い縮退は起こらない。
1-5. 多電子原子の構造
水素原子の軌道＝
B
A
主量子数+異なる副殻に属する軌道
同じエネルギー準位の例
E（2s） ＝ E(2p)
縮退
degeneracy
多電子原子
1-5. 多電子原子の構造
多電子原子
A E(2p)
E（2s） <
電
子
核
内部
核
外部
電
子
電
子
有効核電荷
B
遮蔽
効果
C
核電荷による
D
電気的な引力
エネルギーが
低くなる
E
1-5. 多電子原子の構造
各軌道電子
• 内側にある殻 A
(shell)への浸透
B
縮退した軌道
C
• エネルギー差
• 逆転することあり。
D
エネルギーの低い順に：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、4d、4f
1-5. 多電子原子の構造
電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子
A
電子構造（electronic
structure）
B
電子配置（electron
configuration）
重要な原理・規則①
○パウリの禁制原理（Pauli exclusion principle）
C
D
１つの原子の中の電子
：四種類
の量子数が異なる。
F 個。
E
量子数n,l,mが同じ場合の電子
：スピン量子数の異なる 2
G ：2個、スピンは逆向き
H
一つの軌道に入る電子
。
1-5. 多電子原子の構造
電子⇒原子核のまわりの軌道に分配される様子
A
電子構造（electronic
structure）
B
電子配置（electron
configuration）
重要な原理・規則②
○フントの規則（Hund’s rule）
電子が縮退した軌道に入る時：
C
D
E
１．電子（スピン
）は各軌道
に同じ方向
で入る。
G 。
F
２．縮退した軌道に１つずつ
電子が占められるまで続く
なぜならば：安定性より
電子：
I
J になる。
H
平均して互いに離れる
⇒反発が小さく
なる⇒安定
同じ軌道を占める（2つ）
<K
異なる軌道に存在(各1つ)
1-5. 多電子原子の構造
基底状態の中性原子の電子配置の決め方
1
2.
A
• 原子番号（Z）：Z個の電子を収容。
正負のイオン：Zから電子数を加減することで適応可能。
• 低いエネルギーの軌道に電子を1個ずつ付け加えてい
B
く。
軌道のエネルギーの順序は、
1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6sの順である。
C
• .どの軌道にも二個より多くの電子を入れてはいけない。
3
1-5. 多電子原子の構造
電子配置は？
水素
H
（Z=1）
H
＿＿＿
A
H 1sB1
1s
ヘリウム He
He
（Z=2）
＿＿＿
C
He 1sD 2
1s
軌道図表（orbital diagram）
1s軌道に2個の電子を置くとき：パウリの禁制原理からスピンが反対方向を向く
1-5. 多電子原子の構造
電子配置は
Li（Z=3）
Li
＿＿＿
A
Be（Z=4）
Be
軌道図表
（orbital diagram）
＿＿＿
B
1s
2s
＿＿＿
E
＿＿＿
F
1s
2s
D 1
1s2C2s1≒[He]2s
H 2
1s2G2s2 ≒[He]2s
最外殻に注目した表記法
I
[ ]内は芯電子（core
electron）
1s副殻は完全に閉められており、
J
二個の電子は閉殻（closed
shell）を形成しているという。
K
次にエネルギーの低い2s軌道に入る。
1-5. 多電子原子の構造
電子配置は
ホウ素B（Z=5）
B
＿＿＿
A
D 22p1≒[He]2s
E 22p1
1s22s
＿＿＿
B
＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿
C
2s
2p
1s
I 22p2≒[He]2s
J 22p2
1s22s
炭素C（Z=6）
C
＿＿＿
F
＿＿＿
G
＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿
H
2s
2p
＿＿＿
L
＿＿＿ ＿＿＿
M ＿＿＿
2s
2p
1s
窒素N（Z=7）
N
＿＿＿
K
1s
N 22p3≒[He]2s
O22p3
1s22s
フントの規則から、五番目の電子が
入っている2p軌道 とは 別の2p軌道 に
スピンが同じ方向に向くように入る。
1-5. 多電子原子の構造
電子配置
酸素O（Z=8）
O
＿＿＿
A
1s
D 22p4≒[He]2s
E 22p4
1s22s
＿＿＿
B
＿＿＿ ＿＿＿
C ＿＿＿
2s
2p
＿＿＿
G
＿＿＿ ＿＿＿
＿＿＿
H
2s
2p
フッ素F（Z=9）
F
＿＿＿
F
1s
Ne（Z=10）
Ne
＿＿＿ ＿＿＿
L
K
1s
2s
1s22sI 22p5≒[He]2sJ 22p5
N 22p6≒[He]2s
O 22p6
1s22s
＿＿＿ ＿＿＿ ＿＿＿
M
2p
フントの規則から、五番目の電子が入っている2p軌道とは
別の2p軌道にスピンが同じ方向に向くように入る。
1-5. 多電子原子の構造
第三周期
A
sには最大2個
Na（Z=11）
Ne(Z=10)
＋1
C
Ar（Z=18）
Ne(Z=10)
＋8
F
副殻と
J3p 副殻を満たす。
I 3s
B
pには最大6個
1s22s22p6
3sD1
1s22s22p6
3s2G3p6
[Ne]
3sE1
[Ne]
3s2H3p6
第四周期
1-5. 多電子原子の構造
Ar(Z=1８)
＋1A
1s22s22p63s23p6
4sB 1
[Ar]
4sC 1
Ar(Z=18)
Ca（Z=20）
＋2D
エネルギー
3d > 4s
↓
4s に入る → 3d へ
1s22s22p63s23p6
4sE 2
[Ar]
2
4s
F
K（Z=19）
しかし、
Cr(Z=24)は[Ar]3d5I4s1
Cu(Z=20):[Ar]3d10J 4s1
G
3d：縮退した軌道(5つ)
H
＝10個の電子を収めること
が可能
電子が満たされてくると
反発により、
K
エネルギーの順番が変わる。
複雑!!
原子の電子配置
A
第一遷移元素=3d副殻が満たされていく
• Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu
B
第二遷移元素=4d副殻が満たされていく
• Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag
C
ランタノイド元素=5dと４ｆ副殻が満たされていく
• Z=57-71
D
アクチノイド元素=5f副殻が満たされていく
• Z=89-103
最外殻となる副殻と周期表との関係
３-11族の遷移元素と１２
C
族：最外殻はd軌道
1族アルカリ金属と
２族アルカリ土類金
属：最外殻はs軌道
A
１３-１８族の典型元
素：最外殻はp軌道
B