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「金属中の自由電子の数（割合）」について質問です。

締切済

質問者：osiete_goo_2015
質問日時：2018/09/30 12:27
回答数：2件

素人です。

＜質問１＞
他の人の質問で、金属毎に「自由電子の数（割合）」に違いがあると知りました。
鉄、銅、青銅、銀、水銀の「自由電子の数（割合）」の値を教えてください。

＜質問２＞
他の人の質問で、水銀（液体状）は「自由電子の数（割合）」が少ないと知りました。
だとすると、「自由電子の数（割合）」は硬い金属では多く、柔らかい金属では少ないのでしょうか？

＜質問３＞
加熱して金属が融ける時、「自由電子の数（割合）」はどうなるのでしょうか？

回答よろしくお願いいたします。

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回答 (2件)

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No.2

回答者： d9win
回答日時：2018/10/02 14:01

金属中の原子1ヶに対する自由電子の数を簡潔に説明できる理論はないと私は思います。

そして、金属の固さ等の特性と自由電子数の間に何らかの関係があることを唱える理論もないと思います。
このため、次のように考えます。
<質問1> 金属中の原子1ヶに対する自由電子は1ヶか多くとも2ヶと考えて良い。(後述の説明を参考して下さい)
<質問2> 金属の固さを自由電子の数で説明することは出来ない。
<質問3> 自由電子の運動エネルギー(フェルミエネルギー)は温度に換算して融点よりも桁違いに大きいので、溶けたぐらいでは金属自由電子の数は変わらない。

ちなみに、金属は次の3種類に分類できます。
(1) Li, Na, …アルカリ金属, Be, Mg, …アルカリ(土類)金属
(2) Fe, Cu, Ag, Au, Hg, … 遷移金属
(3) Al, Ga, In, …3価の典型元素
(1)は手で引きちぎることが出来るほど極めて柔らかく、特にLiとNaは常温で水と反応するほど反応性が高いです。
(2)は典型的な金属を含み、重く固い特性を示しがちです(もっともTiは軽い)。しかしながら、遷移金属の特性とそれらの電子形態は未だ説明できてないように思えます。
(3)は(1)と(2)の中間の柔らかさがあります。ところが同じ3価でAlの1つ前の周期のボロンBは極めて優秀な絶縁体なので、周期表のこの列は典型的な金属とは言えないと考えます。
教科書にある金属結合は、(1)のLiやNaのアルカリ金属やせいぜいアルカリ土類金属の状況を説明するものであると、私は考えます。そうすると、最外殻電子が総て電離される状況でも、原子当たりアルカリ金属では1ヶ、アルカリ土類金属では2ヶの自由電子が生じることになります。

他のweb siteには、原子の価数と自由電子の数を関係づけたものがあります。しかしながら、原子の価数はその原子が分子を構成する際に関与する電子の数です。金属結合は通常の分子と全く異なる結合形態であるので、この化学結合の価数を金属における自由電子の数と結びつける根拠はないと、私は考えます。