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なぜ、イオンのM殻は18個まで入るのに最大8個までなんですか?
理由を教えて下さい。

gooドクター

A 回答 (3件)

理由の説明は大変に難しいです。


今は「それが一番安定した状態」だと暗記して下さい。

最大収容数は、
K殻に2個
L殻に8個(K+L=10)
M殻に18個(K+L+M=28)
N殻に32個(K+L+M+N=60)
となり、2n²(N=1,2,3・・)で表される数字です。

が、最外殻の場合には、そうはなりません。
詳細は大学にはいってから量子論などで学習します。

以下ザット・・・・。

電子の入り方は,築き上げの原理(aufbau principle)という原理に基づいています。

K殻を1つの1s軌道,L殻を1つの2s軌道と3つの2p軌道,M殻を1つの3s軌道と3つの3p軌道と5つの3d軌道…と細分化し,

それぞれの軌道に
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d
という順番で入ります。
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希ガス元素のHeは周期表の第1周期で2番目、NeとArは、周期表の第2周期と第3周期の8番目の列に位置している。


KrとXeも(短)周期表では第4周期と第5周期の8番目の列に並んでいるのだが、これらの周期の2番目と3番目の元素の間にはそれぞれ10ヶの遷移金属元素が挟まれている。
更にRnも(短)周期表では第6周期の8番目の列に並んでいるのだが、この周期の2番目と3番目の元素の間には10ヶの遷移金属元素に加えて14ヶのランタン系列遷移元素が挟まれている。

第1周期の元素数2は、電子の1ヶのs状態(方位量子数l = 0)についてℏ/2と-ℏ/2の2ヶのスピン状態数に起因している。
第2, 第3周期の元素数8は、このs状態2ヶに加えて3ヶのp状態(方位量子数l = -1, 0, 1)それぞれにℏ/2と-ℏ/2のスピン状態の組み合わせ6ヶが加わった数である。(ℏはh/2πを表してます)
遷移金属元素の10は、d状態(方位量子数l = -2, -1, 0, 1, 2)それぞれにℏ/2と-ℏ/2のスピン状態の組み合わせ10ヶが加わった数で、
ランタン系列遷移元素の14は、f状態(方位量子数l = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3)それぞれにℏ/2と-ℏ/2のスピン状態の組み合わせ14ヶが加わった数である。

上記のs, p, d, f状態は、実は水素原子中の電子が取り得る状態である。
周期表では元素の陽子と電子が1ヶずつ順に増えているのだが、電子は水素原子中で取り得る状態をエネルギーの低い方から順に埋めて行く(築き上げの原理)。(この時、パウリの排他原理によって一つの電子状態には1ヶの電子しか入り得ない)
それは、各陽子の正電荷と電子の負電荷が電気的に完全に中和しているとすれば、一番外側の電子は陽子1ヶ分の正電荷しか感じないことを考えると理解できるでしょう。

ところが、質問にあるM殼は第3周期に当たるので8+10 = 18ヶの電子が入ることが出来るのだが、実際には8ヶ入ったArからは、次の第4周期のs状態の2ヶが埋まってからM殼(第3周期)のd状態が埋まって行く。(そして、d状態10ヶの後に第4周期のp状態が埋まる)
すなわち、築き上げの原理がd状態とf状態の電子では当てはまらなくなっている訳です。
この理由の説明が回答になるのだが、その簡明な説明は未だに出来てないように思います。

まず、原則論では次の様になります。
水素原子の電子は、基本状態(n = 1)に比べて、第1励起状態(n = 2)では4倍の半径と1/4のエネルギーを有する。第n励起状態では(n+1)^2倍の半径と1/(n+1)^2倍のエネルギーを有する。
したがって、第3周期(第2励起状態)の(最も外側でエネルギーの小さい)電子は1/9倍のエネルギーで、第4周期(第3励起状態)元素の(同様の)電子は1/16倍のエネルギーを有するはずである。エネルギーは負値なので第3周期の電子状態から埋まることになる。

しかしながら、実際の原子では複数の陽子と電子が存在しているために、この電気的な中和(中心正電荷の遮蔽)は十分に出来ない。このために、外側の電子は陽子1ヶ分以上の正電荷、すなわち水素原子状態よりも深いポテンシャルを感じる。すると、半径は小さくなって、エネルギーも低下する(負値で絶対値が増す)。
先の第3周期M殼の状況は、d状態やf状態では(s状態やp状態よりも)中心正電荷の遮蔽が十分に行われているために、このエネルギーの低下度がs状態やp状態よりもかなり小さくなって、第4周期のs状態よりも浅いエネルギー状態になっているとすれば説明できます。
(d状態やf状態の元素は、イオン化エネルギーがほぼ同じように小さいとか、どれも似た特性を示して、明らかそれ以外の元素とは変わった性質があります)
しかしながら、なぜd状態やf状態でそのような状況が起こるのかと言う説明は未だ出来てないようです。私は見つけることが出来ませんでした。

ちなみに、第3周期のd状態やf状態の電子は、第4周期s状態電子の内側に入って行くと説明する文献が多いですが、これは間違っていると思います。なぜなら、中心電荷に近づくほどエネルギーの絶対値は必ず大きくなるからです。
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電子はより入りやすい殻に入っていく性質があります。

M殻の9個目よりN殻の1個目の方が入りやすいのです。
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