銅イオンと銅の電子の入り方

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質問者：mhfwl
質問日時：2005/07/18 18:13
回答数：4件

化学の授業で、
「Cuの電子配置は
　1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(10)4s(1)
　ですが、
　２価イオンになる時には4sから２個の電子が取れる」、という説明を受けました。
普通に考えたら、電子は4sから１個と3dから１個が取れるような気がするんですけど…何かそういうルールがあるのでしょうか？？？

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回答 (4件)

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No.4ベストアンサー

回答者： Josquin
回答日時：2005/07/18 23:49

Cuの電子配置　1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(10)4s(1)

Cu2+の電子配置　1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(9)
であってます。

Cu+は通常スピンレスなので、電子配置は　1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(10)
と考えられますので、Cu2+になるときは4sから１個と3dから１個が取れるで良いと思います。

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この回答へのお礼

ありがとうございました。もやもやしてたが晴れてすっきりしました。

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お礼日時：2005/08/02 10:55

No.3

回答者： w-palace
回答日時：2005/07/18 18:54

「２価イオンになる時には4sから２個の電子が取れる」ではなく、「・・3dから２個の電子が取れる」ですよね。

そうでないと、話が通じませんよね？

通常はHund則によって、順番に電子が入っていくのでしょうが、遷移元素の終わりのあたり、つまり10～12族あるいは、それに相当する電子数のイオンの場合には、必ずしもそれに従いません。
その原因は、3d軌道と4s軌道のエネルギー準位が接近しているためです。
つまり、単純に3dとか4sといった軌道について議論すればよいわけではなく、そこに何個の電子が入っているかといった要因による、軌道のわずかなエネルギー準位の変化によっても、エネルギー準位の高低が逆転してしまうのです。
そのために、軌道に電子が満たされていく順序を正確に予測することが極めて困難になり、事実上、やってみなければわからないというのに近い状況になってしまっているわけです。
そして、調べてみたらそうなっていたという事のようです。

以上、説明にはなっていないかもしれませんが、要するに、電子が入る順番を簡潔に予測できるようなルールはないということだと思います。理由は上に述べたとおりです。

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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。
イオンになるときはエネルギーの高い軌道からではなくて最外殻から電子が取れる、ということを考えれば、
まずは4sに入っている電子、そしてもう一つは3dから取れると思ったのですが…

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お礼日時：2005/07/18 19:46

No.2

回答者： kiyocchi50
回答日時：2005/07/18 18:41

電子配置はおかしくないです。

No1さんの言う通り４sから入っていき、ニッケルで３d軌道に６つ入るわけですが、次に電子を入れる際に３dに入れると９個になり不安定なので今まで２つ入っていた４s軌道からも電子が一つ３d軌道に入ります。

２価イオンになる時に４sから２個の電子がとれるってのはよくわかりませんが。

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この回答へのお礼

回答ありがとうございました。もう少し教科書読んでみます。

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お礼日時：2005/07/18 19:33

No.1

回答者： hanamogeru
回答日時：2005/07/18 18:28

電子配置、おかしくないですか？？？

1s2s2p3s3p4s3d・・・という風になるはずです。

1s
2s2p
3s3p3d
4s4p4d4f

これを左斜め下に上から順に読むはずです。
詳しくないので自信はないのですが・・・

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この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

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お礼日時：2005/07/18 19:31

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もう一方は
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1052730135
Ｋ：２Ｌ：８Ｍ：１５Ｎ：２となってました。

Aベストアンサー

どちらも間違っています。

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です。

なぜそうなるのかについては
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/4170566.html
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という公式が成り立ちます。

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と覚えるのもいいです。

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　よろしくお願いします。

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> イオンになるとCu1+、Co2+となるのは納得できる

それで納得するのはよくないんじゃないかな、と私は思います。

同じ考え方でクロムとスカンジウムについて考えてみると、
CrとScの電子配置は、
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　Sc：[Ar]3d1 4s2
なので、イオンになるとCr1+、Sc2+となりそうな気がします。ですけど、これらのイオンは化学的に極めて不安定で、Cr1+やSc2+は化合物や水溶液の中にはありません。

> Cu2+、Co3＋にもなれるのはどのような考え方からなのでしょうか。

ごめんなさい。私には分かりません。以下はヒントになりそうなことを。

Co3+イオンの安定性については、結晶場理論（または配位子場理論）で説明することが一応できます。結晶場理論（または配位子場理論）から、遷移金属イオンの周りに陰イオンまたは配位子が６個あるとき、遷移金属元素のd軌道が２組に分裂することが知られています。エネルギーが低いほうのd軌道（これをdε軌道またはt2g軌道と呼びます）には最大６個の電子を、高いほうの軌道（これをdγ軌道またはeg軌道と呼びます）には最大４個の電子を収容することができます。ですので、ｄ電子が６個あるCo3+イオンはdε軌道が閉殻になるので安定である、ということができます。

しかし、同じ考え方で電子が６個あるFe2+イオンについて考えてみると、話はそんなに単純ではないことが分かります。ヘキサアクア鉄(II)イオン[Fe(H2O)6]2+のような、ふつうのFe2+イオンでは、dε軌道に６個の電子を収容した閉殻電子配置ではなく、dε軌道に４個、dγ軌道に２個の電子が入っている電子配置になります。一方、ヘキサシアノ鉄(II)酸イオン[Fe(CN)6]4-では、dε軌道に６個、dγ軌道に０個の閉殻電子配置になります。また、コバルトでも、ヘキサフルオロコバルト(III)酸イオン[CoF6]3-のような（若干特殊な）例では、dε軌道に４個、dγ軌道に２個の電子配置になります。

なぜ、このような面倒な話になるかというと、dε軌道とdγ軌道のエネルギー差が３ｄ遷移金属ではそれほど大きくなく、金属イオンの電荷や陰イオンや配位子の種類によって変わるからです。それでも、ふつうに見られるCo3+イオンでは、dε軌道とdγ軌道のエネルギー差が他の３ｄ遷移金属イオンと比べると大きく、閉殻電子配置をとることが多いので、Co3+イオンの安定性については、結晶場理論（または配位子場理論）で説明されることが多いです。

Cu2+イオンの安定性を電子配置から説明するのは、簡単ではないと思います。というのは、同じ電子配置を持つ同族元素の銀ではAg2+イオンはまれにしか見出されず、金ではAu2+イオンは極めてまれにしか見出されないからです。何の答えにもなっていませんが、いくつかの要因の絡み合った結果として、Cu2+イオンがありふれたイオンになっているのでしょう。

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定性的な説明ですが、3ｄ軌道に電子が半分充足された状態（Cr）や完全に充足された状態（Cu）がエネルギー的に特別、安定になるからです。4ｆ軌道についても同様です。

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高校化学の教科書に、
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納得するべきかどうか悩んでいます。

早急なるご回答をいただけますように、どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

4s軌道と3d軌道のエネルギー準位はほとんど同じなので、[Ar](4s)1(3d)10と[Ar](4s)2(3d)9を考えれば、1価と2価が安定というのがわかると思います。
2価まで行ってしまうのは、地球上にある物質と結びつくときにはそこまで行くのが最もエネルギー的に得だということだと思います。

参考URL：http://www5f.biglobe.ne.jp/~rokky/kaisetu/0/hukuenergy.htm

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Qヤーンテラー効果について

ヤーンテラー効果について勉強したのですがよく分かりません。もし分かりやすく説明してくれる方がいればよろしくお願いします。

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Jahn-Teller効果ですか．むずかしいですよね～．ということで，「わかりやすく，イメージをつかむ」というのをモットーに（!?），ここではJahn-Teller効果の一例である「正方晶ひずみ」のお話をします．

正方晶ひずみをチョー簡単に言ってしまえば，
「Cu錯体がなぜ正方形配位型なのか」
を説明したものなのです．

じゃあ，なんでそうなるのっ？（古っ！）って思いますよね．そこで，結晶場理論をもとにこれを説明します．

そもそも，d錯体って，八面体配位であるか，四面体配位ですよね（ただ，四面体配位は例が少ないので省略します）．例えば，Fe錯体なんかはたいてい八面体配位（配位子が６個）って教わりましたね．しかし，Cu錯体やPt錯体などはなぜか正方形の配位をとります．本来であれば，八面体配位をとったほうがよさそうな感じがしますよね．だって，FeとCuって電子が3つしか違わないから．

ここで，Jahn-Teller効果にもとづく正方晶ひずみという効果が生じてきます．これって何かというと，z軸方向の配位距離（金属と配位子との距離）が伸び，xy方向の配位距離が縮まるのです．つまり，八面体を横からグシャッとつぶして縦にビヨーンと引っ張った感じになります．

このような傾向は，d軌道の電子が多いほど起こりやすくなります．
こうやって，もしもz軸方向の配位距離が無限に伸びてしまったら？そう，z軸方向の配位子はどっかに飛んでいってしまい，結果として正方形状に並んだ4つの配位子だけが残ります．

つまり，「Cu錯体が正方形配位であるのは，八面体がひずんでz軸方向の配位子がなくなったからである」といえましょう．

しかし，「なんでd軌道の電子が増えるとz軸方向に伸びるの？」と思われますよね．これは電子軌道理論で説明できます．
八面体のときは，d軌道は3:2に分裂してますよね．低エネルギーで縮退している3軌道はdxy,dyz,dzxで，高エネルギーのそれはd(xx-yy)，dzzです．さて，d軌道の電子が増えると，実は二重および三重に縮退していた軌道が分裂して，2:1:1:1とこま切れになってしまいます．具体的には，z因子を含む軌道（dyz,dzx,dzz）の3つのエネルギーが低下します．（なんでそうなるのかについてはムズカシイので省略させてください）

う～ん，なにやらムズカシイお話になってしまいましたね．
でも，「d軌道の縮退が変化する＝配位の形も変化する」ということはなんとなく予想できますよね．これを理論的に説明したのがJahn-Teller効果です．

こんな稚拙な説明でわかっていただけたでしょうか．
もし，「この文章のここがよくわからない」などがありましたら，補足をお願いいたします．また，これ以上の内容についてはShriver（シュライバー）著『無機化学』p．354あたりに書いてあるので，そちらをご覧ください．

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Q金属錯体の特有の色について

二価の銅イオンを含む水溶液は、青色を呈するのに、どうして一価の銅イオンを含む水溶液は無色なのですか？ナトリウムイオン、カリウムイオンも水溶液中では無色である理由も気になります。イオンの電子配置と何か関係があるのでしょうか？

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honeyBさんがどの程度の基礎知識をお持ちか分かりませんが，とりあえず非常に簡単なところから述べさせていただきます。

地面に落ちているボールを拾い上げると，ボールは位置エネルギーを受け取ってエネルギーの高い状態，つまり落ちる危険性のある状態になります。分子に光を当てると，分子は光のエネルギーを受け取ってエネルギーの高い状態になります。この分子の初めの状態を「基底状態」，エネルギーの高い状態を「励起状態」と言います。

この両者には決定的な違いがありまして，ボールの位置エネルギーは連続的な値を取れますが，つまりボールは好きな高さまで連続的に持ち上げることができますが，分子の励起エネルギーは飛び飛びの値しかとれません。よって，分子が吸収できる光のエネルギーも，飛び飛びの値しかとれません。分子が吸収する光のエネルギーと光の振動数との関係は，Ｅ＝ｈνという式によって表されますので，分子が吸収する光の振動数も飛び飛びの値をとります。このことが，分子が色を持つ根本的な原因になっています。

分子が色を持つには，分子が可視光に相当する振動数の光を吸収する必要がありますが，これに相当する励起エネルギーは分子内の電子遷移に対応します。そして，電子遷移には大雑把にπ-π*遷移，n-π*遷移，d-d遷移，CT遷移などの種類がありますので，分子の色を説明するにはこれらの電子遷移の有無，および分子軌道の対称性（対称性によって電子遷移の許容・禁制が決まる）を考えれば良いということになります。

錯体の色については，配位子が単純である場合はd-d遷移，CT遷移のみを考えれば説明が付きます。この中で，d-d遷移は禁制遷移，CT遷移は許容遷移であるため，モル吸光係数が1000 cm2/mmol程度の錯体はd-d遷移による呈色のみであると考えることができます。

ここでご質問の件ですが，Cu2+は最外殻の3d軌道に電子が9個入ったd9錯体ですので，八面体構造の場合は3d軌道内（より具体的には3d_xy→3d_z2）でd-d遷移が起こります。そして，このd-d遷移が原因でCu2+の錯体はブルーに呈色します。一方，Cu+はd10錯体ですので，完全に閉殻構造となりd-d遷移は起こりません。単純な配位子では他の電子遷移も起こりませんので，Cu+の錯体は大抵無色になります。K+もNa+も同様に閉殻構造ですので，やはり無色です。

最後に。電子軌道と不連続なエネルギーについては物理化学（量子力学）の成書を，錯体の色に関する理論（配位子場理論，ヤーンテラー効果）については無機化学（錯体化学もしくは配位化学）の成書をご覧になれば，より一層理解が深まると思います。

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Q波長（nm）をエネルギー（ev）に変換する式は？

波長（nm）をエネルギー（ev）に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
　Ｅ = hc/λ[J]
　　 = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら　Ｅ = hc×10^9/eλ　です。
あとは、
　h = 6.626*10^-34[J・s]
　e = 1.602*10^-19[C]
　c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
　E≒1240/λ[eV]
となります。

＞例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
＞合っているのでしょうか？
λに 540[nm] を代入すると
　E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

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Q鉄イオンになぜFe2+とFe3+があるの？

イオンに価数の違うものがあるという現象が理解できません・・・。

例えば、水素イオンだったらH+しかありませんよね。電子を一つ外に出した方が安定だから。

でも、鉄イオンにFe2+とFe3+があるじゃないですか！！

じゃあ、このイオンたちは外に電子を二つだしても、三つだしても安定なのでしょうか。変です。安定状態は一つじゃないんですか。あの最外核電子が希ガスと同じになると安定。

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Aベストアンサー

イオン化エネルギー（単位はｋＪ／ｍｏｌ）

Ｈ　　１３１２

Ｎａ　４９５　　４５６２　　６９１１
Ｍｇ　７３７　　１４７６　　７７３２

Ｋ　　４１９　　３０５１　　４４１０
Ｃａ　５８９　　１１４５　　４９１０

Ｈｅ　　２３７３　　５２５９
Ｎｅ　　２０８０　　３９５２
Ａｒ　　１５２０　　２６６５　

１．不活性元素（希ガス）の電子配置から先に行くのは難しいのが分かります。
　　Ｎａ^2+は存在しないだろうというのはエネルギー的な判断として可能です。

２．Ｃａ^2+を実現するために必要なエネルギーはＮａ^+を実現するために必要なエネルギーよりも２倍以上大きいです。でもＣａ^2+は安定に存在します。これはイオン化エネルギーの大きさだけでは判断できない事です。
ＣａＯとＮａＣｌは結晶構造が同じです。融点を比べると結合の強さの違いが分かります。
ＮａＣｌ　８０１℃　　　ＣａＯ　　２５７２℃

ＣａＯの方が格段に結合が強いことが分かります。
結合が強いというのを安定な構造ができていると考えてもいいはずです。
ＮａＣｌは(＋)、(－)の間の引力です。ＣａＯは(２＋)、(２－)の間の引力です。これで４倍の違いが出てきます。イオン間距離も問題になります。Ｃａ^+には最外殻のｓ軌道に電子が１つ残っていますからＣａ^2+よりも大きいです。荷電数が大きくてサイズの小さいイオンができる方が静電エネルギーでの安定化には有利なのです。
Ｆｅ(ＯＨ)2よりもＦｅ(ＯＨ)3の方が溶解度が格段に小さいというのも２＋、３＋という電荷の大きさの違いが効いてきています。サイズも小さくなっています。

イオンは単独では存在しません。必ず対のイオンと共に存在しています。
水和されていると書いておられる回答もありますが対のイオンの存在によって安定化されるというのが先です。
水溶液の中であっても正イオンだけとか負イオンだけとかでは存在できません。水和された正イオンと水和された陰イオンとが同数あります。水和された負イオンの周りは水和された正イオンが取り囲んでいます。液体の中にありますからかなり乱れた構造になっていますが正負のイオンが同数あって互いに反対符号のイオンの周りに分布しているという特徴は維持されています。

３．ｄ軌道に電子が不完全に入っている元素を遷移元素と呼んでいます。
　　「遷移」というのは性質がダラダラと変わるということから来た言葉です。普通は族番号が変われば性質が大きく変わります。周期表で横にある元素とは性質が異なるが縦に並んでいる元素とは性質が似ているというのが元素を「周期表の形にまとめてみよう」という考えの出発点でした。だから３属から11族を１つにまとめて考えるという事も出てくるのです。
　性質が似ているというのは電子の配置に理由があるはずです。電子は最外殻のｓに先に入って後からｄに入ります。エネルギーの逆転が起こっていますが違いは小さいものです。まず外の枠組み（ｓ軌道）が決まっている、違いは内部（ｄ軌道）の電子の入り方だけだというところからダラダラ性質が変わるというのが出てきます。Ｍ^2+のイオンがすべて存在するというのもここから出てきます。１１族の元素に１＋が出てくるのは内部のｄ軌道を満杯にしてｓ軌道電子が１つになるというからのことでしょう。これは＃７に書かれています。でもそれがなぜ言えるのかはさらに別の理由が必要でしょう。
　ｓ軌道の電子が飛び出してイオンができたとすると残るのはｄ軌道の電子です。イオンのサイズがあまり変わらないというのはここから出てきます。
　イオンの価数の種類が１つではないというのも遷移元素の特徴です。エネルギーにあまり大きな違いのないところでの電子の出入りだという捉え方でもかまわないと思います。イオン単独で考えているのではなくてイオンが置かれている環境の中で考えています。イオン化エネルギーの大小だけではありません。
　色が付いている化合物が多いというのもエネルギー的にあまり大きな違いのない電子配置がいくつか存在する、そのエネルギー状態は周囲の環境によって割合と簡単に変化するという事を表しています。普通なら電子遷移は紫外線の領域です。可視光の領域に吸収が出るのですから差の小さいエネルギー準位があるという事です。この色が周りに何があるかによって変化するというのも、変動しやすいエネルギー順位があるという証拠になるのではないでしょうか。酸化銅、硫酸銅、塩化銅、硝酸銅、結晶の色は異なります。水和された銅イオン、アンモニアが配意した銅イオンもはっきりとした色の違いがあります。

４．今考えているイオンの電荷は実電荷です。酸化数は実電荷に対応しているとは限りません。
　単原子イオンの酸化数はイオンの価数そのままですが、単原子イオンではない、分子中の原子、または多原子イオンの中の原子の酸化数は形式的に電荷を割り振ったものです。イオンでないものであってもイオンであるかのように見なしているのです。「Ｃｒ^(6+)」が存在するなんて書かれると「？？？？」となってしまいます。Ｃｒ２Ｏ３の融点が２４３６℃、ＣｒＯ3の融点が１９６℃であるという数字から考えるとＣｒＯ3はイオン性ではありません。無水クロム酸とも言われていますがＣｒＯ４^2-の中の結合と同じであろうと考えられます。
　ＣＯ２はＣ^(4+)１つとＯ^(2-)２つが結合したものと教えている中学校があるように聞いていますが困ったことです。「硫酸の中の硫黄の原子価は６＋である」と書いてある危険物のテキストもあります。酸化数と原子価の混同はかなり広く見られることのようです。Ｃｒ^6+　という表現はそれと同列のことですから堂々と回答に書かれては困ることです。

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