原子価殻に 8 個の電子を持つ原子は、最後の軌道を完全に満たしており、電子配置が最も近い希ガスの配置に似ているため、最も安定しています。
多くのアジア文化によると、数字の 8 はラッキー ナンバーです。中国人はこの数字をラッキーだと考えています。なぜなら、その発音はbāだからです fāに似ています 富を意味します。興味深いことに、北京夏季オリンピックは 2008 年 8 月 8 日午後 8 時 8 秒 8 分に開催されました。
日本語の 8 のスクリプトは八であり、徐々に広がり、富の増加を意味するため、日本人はこれを繁栄のアイデアに関してラッキー ナンバーと考えています。
化学における「8」の意味
化学では、8 はそれ自体はラッキー ナンバーではありませんが、安定性を示す数字です。 8 の規則またはオクテット規則は、原子が原子価殻に 8 つの電子を持つ傾向です。
この最終殻の 8 つの電子により、原子は安定して非反応性になります。
たとえば、希ガスは、自然界に見られる最も反応性の低い化学元素の一部です。それらは周期表の右端のセクションを構成し、非常に自給自足であるため、希ガスとして知られています!それらは、最後の殻に 2、8、18、または 36 個の電子を持っています。
希ガスは、周期表の右端のセクションを構成します (写真提供者:julie deshaies/Shutterstock)
原子価殻 (または最外殻) が不完全な場合、原子は反応する傾向があります。完全な状態または閉じた殻を実現するために、原子は 3 つのことのいずれかを行います:他の原子と電子を失う、獲得する、または共有します。
原子は、私たちが思っているほど単純ではありません。つまり、いくつかの陽子と電子を含む原子核です。原子の電子配置と呼ばれる、同心円状に配置された複数の殻の組み合わせです。原子価シェルは、直接飛び込むにはトリッキーな概念になる可能性があるため、基本から始めましょう。
原子の電子配置とは?
原子の電子配置は、原子内の電子の分布です。惑星が太陽の周りを公転している太陽系を想像してみてください。同様に、原子は別個の電子殻で中心核の周りを回転する電子を持っています。
1913 年にデンマークの物理学者ニールス ボーアによって発見されたボーア モデルは、原子内の電子が電子殻に含まれていることを示唆した最初のモデルでした。このシェルは、特定の数の電子のみがその一部になることを許可します。別の科学者がこの理論を推し進め、講義中にユニークな発見に出会いました。
アメリカの物理化学者で教授のギルバート・ニュートン・ルイスは、ヘリウム原子のように、原子価殻に 2 つの電子を持ち、立方体の角を模倣して、8 つの電子が連続する殻に配置される可能性があると述べました。この配置は、原子が希ガスに似ているため、原子の非常に安定した状態をもたらしました。
電子の n 番目の殻は 2n2 個の電子を収容します。ここで、n は主量子数またはエネルギー準位です。量子力学では、電子の固有の状態を指定するために、原子内のすべての電子に割り当てられた 4 つの量子数があります。電子のこれらの量子状態は、電子の波のような性質または軌道を補います。 これは高度な化学の一部であり、この記事の範囲を超えています。必要に応じて、さらに読むことをお勧めします。
したがって、n=1 の場合、つまり最初のシェルの場合、そのシェルの電子数は 2 になります。 n=2 の場合、数値は 8 となり、以下同様 (2、8、18、32…) になります。シェルは、K、L、M、N などとも呼ばれます。エネルギー準位に関連するエネルギーは、原子核から離れるにつれて増加します。より低いエネルギー準位にある電子と原子核の反対の電荷により、電子は原子核にしっかりと結合します。電子が原子核から離れるほど、反応性が高くなります。
原子軌道のエネルギー準位 (写真提供:Nasky/Shutterstock)
ここで、次のように考えるかもしれません:これらすべての電子を 1 つのシェルに調整して、化学をもう少し簡単にしてみませんか? !別の科学者である Wolfgang Pauli もおそらく同じ疑問を持っていたので、電子の振る舞いに関する興味深い事実を発見しました。
パウリは 1925 年にパウリの排他原理を提唱し、2 つの電子が同じ軌道を占有することはできず、同じ軌道は反対のスピンを持つ必要があることを確認しました。つまり、シェルにはサブシェルがあり、各サブシェルは 1 つ以上の原子軌道で構成されています。各軌道は、反対のスピンを持つ 2 つの電子しか保持できません。
サブシェルと軌道とは?
シェルは、同じ主量子数 (n ）。サブシェルは、同じ主量子数 (n ) と方位量子数 (ℓ )、4 つの量子数の 2 番目。 ℓ の値 (0,1,2,3) は s、p、d、 に対応 そして f それぞれ電子殻のラベル。 ℓ 0 から n までの値を取ることができます -1、特定のサブシェル内のすべての軌道には 2ℓ があります + 1 サブステート。
n=1 の場合、ℓ =0 で、s に対応します サブステートが 1 つしかない軌道 [2(0) +1=2]; ℓ =1 は p です 3 つのサブステート (px、py、pz) を持つ軌道。 ℓ =2 は d です 5つのサブステートで;および ℓ= 3 は f です 7つのサブステートを持つ軌道。すべての軌道は異なる形をしています。 軌道は球形、p ダンベル型、d 1 つのユニークな形と f を持つクローバーの葉です。 d のより複雑なバージョンです 軌道。また、すべての軌道は、反対方向にスピンする 2 つの電子しか保持できません。オクテット規則に関係するのは s 軌道と p 軌道のみです。
原子軌道の形状 (写真提供:chemistrygod/Shutterstock)
合計 11 個の電子を持つナトリウム (11) 原子を考えてみましょう。上記の情報に基づいて電子の分布を計算すると、ナトリウムには 3 つのシェルがあることがわかります。最初の殻には 2 個の電子が含まれ、2 番目の殻には 8 個の電子が含まれ、3 番目の殻には 1 つの電子が残ります。
電子配置は 2, 8, 1 です。最初のシェルには 1 つの軌道 (n=1 および l=0) しかなく、2 つの電子が収容されます。 2 番目のシェルには 8 つの電子と 2 つの軌道があります。最初の 2 つの電子は s の一部を形成します 軌道と p の他の 6 軌道 (n=2 および l=1)。最後の電子は第 3 シェルに入り、再び s 軌道の一部になります。電子構成は次のようになります:
1s2 2s2 2p6 3s1
原子の軌道における電子の充填順序。低いエネルギー準位が最初に満たされます。 (写真提供:Amalakanti Satya Sarada/Shutterstock)
第 3 殻の単一電子は、ナトリウム原子を不安定にし、反応性にするものです。原子価殻の電子数が不完全であるため、ナトリウムは開いた殻を持つことが知られています。安定性を得るために、最後の軌道の電子は他の電子と共有結合またはイオン結合を形成します。この結合により、両方の原子の最後の殻に 8 つの電子が残り、より安定した分子になります。
ナトリウムは、それに最も近い希ガスであるネオンのような状態に到達しようとします。ネオンの原子価殻は 8 個の電子で完全であり、閉じた殻を持っています。電子構成は次のとおりです:
ネオン (10):2,8 または 1s22s22p6
他のほとんどの元素は、共有結合またはイオン結合を形成して、最も近い希ガスに似た状態に到達しようとします。希ガスの電子配置の一部は次のとおりです:
アルゴン (18):1s22s22p63s23p6
クリプトン (36):1s22s22p63s23p6 3d¹⁰ 4s² 4p⁶
キャプション:希ガスの電子配置。
すべてのシェルが完成し、各軌道が適切な数の電子で満たされているため、貴元素は非常に安定しています。提供するものがないため、別の分子がそれらと相互作用する可能性はありません。あなたが綱渡りをしていて、バランスをとるために手に杖を持っていると想像してください。転ぶのが怖くて杖を手放したくないでしょう。同時に、バランスに影響を与える可能性があるため、他の人に助けてもらいたくありません。同様に、貴元素は非常に安定しているため、電子を獲得したり失ったりする必要はありません。
オクテット ルールの例外
Gilbert Lewis は、オクテット規則をすべての要素に普遍的に適用できるわけではないことを認識していました。 1916 年に発見された分子の数はかなり少なくなり、その結果、オクテット規則は自然の法則と見なされました。何年にもわたって、このルールは人々の心に深く染み込んでおり、ルールの例外が実際に含まれているものよりも多いことを受け入れるのは困難でした!
周期表 (写真提供:julie deshaies/Shutterstock)
結局のところ、周期表の主族 (グループ 1、2、14-18) に属する元素のみがオクテット規則に従い、他の物質の巨大なチャンクは除外されます。一般的な例外には、奇数の電子を持つ分子と、原子が 8 個より多いまたは少ない電子を持つ分子が含まれます。
結論
オクテット規則は、原子の反応性を識別する上で極めて重要です。原子が共有結合またはイオン結合を形成するかどうかは、ルイス電子ドット構造から識別できます。原子は常に安定性を求めて化学結合を形成し、貴元素に似た電子配置を持っています。オクテット規則はすべての元素に普遍的に適用できるわけではありませんが、化学を理解するための基礎を形成しています!
