『ボヘミアン・ラプソディ』はなぜ人々を魅了したのか >>

s,p,dなどの軌道は、(半径方向以外の)ノードの数によって分類されているようですが、ノードの数が同じならばエネルギーも同じと見てよいのでしょうか?

また、ノードなしのs軌道やノード1個のp軌道はまだ分かりますが、ノード3個のd軌道が5つしかない理由がよく分かりません。
4つ葉型の3つはxyzに対し対称ですが、残りの2つは対称形になっていません。線形結合すれば同じになりそうな気もするのですが、だとしたらなぜ4つ葉型は3つあるのにこちらは2つで全範囲をカバーできるのでしょうか?
ノードの形はこの5つの他に考えられないのでしょうか?

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A 回答 (2件)

一つ目の質問ですが、全ノード数が同じなら、という意味でしょうか?


電子一つしかない水素様原子なら、軌道エネルギーは主量子数だけで決まるので、確かにそうなります。
2s = 2p, 3s = 3p = 3d
ですね。
しかし一般の原子だと角運動量子数に依存しますので、主量子数が同じでも角運動量子数が大きい軌道の方がエネルギーは高くなります。
質問にある”ノード”が、動径部分のノードを除いた後の数を比較しているのなら、確かにそういう風に表現することもできるでしょう。しかし、2px = 2py = 2pz, 3dz^2 = ... = 3dx^2-y^2ということを言っているだけなので、あらためて別の表現をする必要も無い気がしますが。

2つ目の質問ですが、まずノードの数の解釈がごっちゃになっていませんか?
質問からすると、動径方向のノードの数を除いて比較されているようですが、それだとd軌道は2個になりますよね?もちろん、主量子数が同じなら全ノード数は共通なので、3s,3p,3dのノードは全て2個ずつです。
また軌道の対称性についてですが、d軌道の形は全てD2hの対称性を持っています(3dz^2だけはD(無限大)hですが)。もちろん、これらの線形結合で他の形状の軌道も作ることができます。しかしそうやって作成した軌道は、結局はもともとの3d軌道の混ぜ合わせでしかありません。
線形代数の言葉で言えば、もとの3d軌道は独立なベクトルである、ということです。
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この回答へのお礼

詳細な回答ありがとうございます。
そしてそれを理解するのに時間がかかったため、返答が遅くなってしまってすいません。

>動径部分のノードを除いた後の数
動径部分のノードというのは球形になっているほうのノードのことですよね。はい、その比較です。
>あらためて別の表現をする必要も無い
そうでしたか。ただ、私の疑問としては、
例えば3d軌道で1つだけ違う形をしているdz^2も同じエネルギーというのが感覚的に納得できないのです。高次の軌道になってくるとさらに複雑怪奇です。
「角運動粒子数」というものの意味もよく分かりません。

>d軌道は2個
すいません、書き間違いです。

軌道の対称性について、解説ありがとうございます。おかげで疑問がはっきりしました。
d軌道に関して、
・なぜ独立なベクトルの数は5つなのか。s,p,d...軌道に対して1,3,5...(あるいは全ノード数0,1,2...に対して1,4,9...)となるのは何かの式から導けるのか。
・そのベクトルに対応する軌道の形が、なぜ一つ(dz^2)だけ他と異なるのか。
・関連して、軌道の形の表現は通常見る5種類の形の組以外にないのか。(例えばデカルト座標に対する極座標のような全く違った表現方法)

お礼日時:2006/08/11 15:14

疑問に思われていることのほとんどは、構造化学(あるいは量子化学)の最初に「これ化学じゃなくて物理か数学だよ」という感想を抱きながら習うところの内容ですね。


ひょっとして、大学では有機化学や生化学の講義ばっかりで、量子化学の講義が無かったのでしょうか?
角運動量量子数、独立な波動関数(波動ベクトル)の数、波動関数の形状、極座標表示は全て量子化学で習う内容です。
ちなみに波動関数の数式は実際には極座標表示されます。
これは質問者さんも私も、動径方向(rの関数)と、角度方向(シータ、ファイの関数)を別々に扱っていることからも、明らかではないかと思いますが。
独学で理解するのは大変かもしれませんが、物理学や数学で微分方程式とその解法を習得されているのなら、自分で教科書を読むこともできます。
古い本ですが、裳華房の基礎化学選書12 量子化学 原田義也
をおすすめしておきます。
総合的な物理化学の教科書だと、数式の操作があまり載っていなかったりしますので、量子化学の入門書の方が良いです。
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この回答へのお礼

そうですね…
一応教養として初年度に色々詰め込まれましたが、理解もあやふやなまま機械系に行ってしまいました。
どうも数式は苦手です。
最近化学屋の友人と雑談していてふと昔の疑問がよみがえってきた次第で。

>裳華房の基礎化学選書12 量子化学 原田義也
探してみます。ありがとうございました。

お礼日時:2006/08/13 19:46

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QD軌道関数について

原子を構成する電子軌道のD軌道についての質問です。

D軌道には,Dxy,Dyz,Dzx,Dz^2,Dx^2-y^2の5つの配位の軌道が存在しますよね。
Dxy,Dyz,Dzxは「四つ葉状に」それぞれ
xy平面,yz平面,zx平面に対して平行ですし,
またDz^2は,「原点を中心に球が潰れたような形で,
残り2つの球がそれぞれz軸の+と-に伸びるような形」でz軸に対して平行ですよね。

で,Dx^2-y^2の形だけがどうにも想像出来ません。
図などを参照してもxy平面の第4象限よりやや上方から俯瞰しているようなものしかなく,
xy平面の第1・2・3象限が手前の図に重なって見えませんし,
z軸から俯瞰しているような図もなく細部がよくわかりません。
また名称から類推しようとしても「x^2-y^2・・・あそっか、z^2だ!」とまぁ,
自分の無能ぶりに苦笑してしまいますw

誰かわかる方がいらっしゃったら救いの手を差し伸べてやって下さい。

また,上に挙げているようにDz^2の原点を中心とした潰れた球は,
涙状(というかドラクエのスライム状というか)の4つの軌道のうち
2つが潰れて混成したというような解釈で正しいのでしょうか。
その解釈が一番しっくりくるのですがどうでしょう?

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D軌道には,Dxy,Dyz,Dzx,Dz^2,Dx^2-y^2の5つの配位の軌道が存在しますよね。
Dxy,Dyz,Dzxは「四つ葉状に」それぞれ
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またDz^2は,「原点を中心に球が潰れたような形で,
残り2つの球がそれぞれz軸の+と-に伸びるような形」でz軸に対して平行ですよね。

で,Dx^2-y^2の形だけがどうにも想像出来ません。
図などを参照してもxy平面の第4象限よりやや上方から俯瞰しているようなものしかなく,
xy平面の第...続きを読む

Aベストアンサー

>Dz^2の原点を中心とした潰れた球は,涙状(というかドラクエのスライム状というか)の4つの軌道のうち2つが潰れて混成したというような解釈で正しいのでしょうか。

同じく俯瞰図ですが実際に計算したものがあります。ページの中程を見て下さい。
http://www2.neweb.ne.jp/wc/morikawa/iso.html
物理屋さんが明快に示してくれたものがその下の球です。
ご存知のようにd軌道には五つしか無くz^2にx^2とy^2を加えると、冗長なものが一つ出来ます。つまり一つは他の五つで表されなければならない。
sとp軌道までなら球対称と三次元に振り分けられて美しいのですが、空間を五つの同じ形の軌道で分ける訳にいかぬ為、苦し紛れの混成になっています。
上記ページの下の方に書いてあるように虚数部分が表れないように、かつ互いに垂直であるように線形結合を取って混成を作り何とか可視化シている訳ですが、
上記ページにあるように空間を位相を含めて分割するときれいに各軌道が見えるようになります。
この大本の表紙が下記URLですのでご覧下さい。化学屋には良い勉強です。

なおz^2については
>z軸に対して平行ですよね。
は正しくなく、「z軸を回転軸とし、xy平面がσ面であるD∞hの対称性である」と言うべきでしょう。
他の「…面に平行」というのもやはり回転軸と対称面で表すべきです。

>で,Dx^2-y^2の形だけがどうにも想像出来ません。
これは簡単でd^2に垂直で、dxyをz軸を中心に(1/4)π回転させただけだと思えばいいです。
これでもdxyと垂直なので驚きですが、位相を掛け合わせていくと確かにゼロになってしまいます。どのローブも隣り合う軌道の+と-の位相のローブと同じだけ重なるのでプラスマイナスゼロになります。
m(_ _)m

参考URL:http://www2.neweb.ne.jp/wc/morikawa/menu.html

>Dz^2の原点を中心とした潰れた球は,涙状(というかドラクエのスライム状というか)の4つの軌道のうち2つが潰れて混成したというような解釈で正しいのでしょうか。

同じく俯瞰図ですが実際に計算したものがあります。ページの中程を見て下さい。
http://www2.neweb.ne.jp/wc/morikawa/iso.html
物理屋さんが明快に示してくれたものがその下の球です。
ご存知のようにd軌道には五つしか無くz^2にx^2とy^2を加えると、冗長なものが一つ出来ます。つまり一つは他の五つで表されなければならない。
sとp軌道...続きを読む

Q電子配置について

Ni2+(ニッケルイオン)の電子配置と不対電子を示せという問題で僕は、[Ar]3d64s2と考えたのですが・・・答えは[Ar]3d8となっています。電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか?よくわからないので教えてください。

Aベストアンサー

> 電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか?
中性の原子では、そうなりますね(CrとCuは例外)。
ですけど、イオンではそうはならないです。

■考え方その1
遷移金属の陽イオンでは、3d軌道が満たされてから4s軌道に入る、と考えます。これらのイオンの4s軌道はふつう空っぽになりますから、第4周期の1族~12族の金属イオンでは、
 3d電子の数=族番号-イオンの価数
という公式が成り立ちます。

■考え方その2
あるいは、中性の原子を基準に考えて、
 軌道から電子が抜けるときには、4s軌道から先に抜ける。
と覚えるのもいいです。

■Ni2+の場合
はじめの考え方に従うと、ニッケルは10族、イオンの価数は2なので、
 3d電子の数=10-2=8
となって、電子配置は[Ar]3d8になります。
 二番目の考え方では、中性のニッケル原子の電子配置[Ar]3d84s2から、電子を2個抜いたのが2価ニッケルイオンなので、4s軌道から電子を2個抜くと、イオンの電子配置は[Ar]3d8になります(Ni3+ならNi2+の電子配置からさらに1個電子を抜いて、[Ar]3d7になります)。

■考え方が破綻する例
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 第4周期の1族~12族の1価金属イオンで重要なものは、K+とCu+です。この二つのイオンに関しては、考え方その1でも考え方その2でも、正しい電子配置を与えます。

■なぜ中性原子とイオンで電子の詰め方が変わるのか?
カリウム(原子番号19)とカルシウム(原子番号20)では、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低いのですけど、じつは、原子番号が20より大きい原子では、エネルギーの順序が逆転して、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低くなります。
 ですので、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールに従えば、Sc,Ti,V,Cr,Mn,...では、4s軌道よりも先に3d軌道に電子を詰めていくことになるのですけど、こうやって作った電子配置は、中性原子(と多くの一価イオン)では、正しい電子配置にはなりません。つまり、原子番号が20より大きい中性原子では、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールだけでは、正しい電子配置を予測することができません。
 この困難を乗り越えるためには、本当ならば、「電子と電子の間に働くクーロン反発力」を考えに入れなければならないのですけど、これが結構めんどうな話になります。そこで、めんどうな話を避けるために、少し反則気味なのですけど、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールだけを使って正しい電子配置を予測できるように、『原子番号が20より大きい原子でも、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低い』ということにしておいて、4s軌道が満たされてから3d軌道に電子が入る、という説明がなされます。
 陽イオンでは、中性原子に比べて電子が少なくなっていますので、電子と電子の間に働くクーロン反発力は、中性原子のそれと比べて小さくなります。そのため、クーロン反発の話を無視しても、正しい電子配置を得ることができます(一価の陽イオンは除く)。本来、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低いのですから、3d軌道が満たされてから4s軌道に電子が入る、ということになります。

■まとめ
中性原子では、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低いので、4s軌道が満たされてから3d軌道に電子が入る。
陽イオンでは、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低いので、3d軌道が満たされてから4s軌道に電子が入る。
中性原子と陽イオンで軌道の順序が変わるのは、電子と電子の間に働くクーロン反発力が陽イオンでは小さくなるからである。

> 電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか?
中性の原子では、そうなりますね(CrとCuは例外)。
ですけど、イオンではそうはならないです。

■考え方その1
遷移金属の陽イオンでは、3d軌道が満たされてから4s軌道に入る、と考えます。これらのイオンの4s軌道はふつう空っぽになりますから、第4周期の1族~12族の金属イオンでは、
 3d電子の数=族番号-イオンの価数
という公式が成り立ちます。

■考え方その2
あるいは、中性の原子を基準に考えて、
 軌道から電子が...続きを読む

QCrの電子配置がなぜ3d軌道に5個、4s軌道に1個になるのですか?

電子配置のことなんですが、遷移元素の原子番号24番のCrの電子配置がなぜ3d軌道に5個、4s軌道に1個はいるのかわからないんです。前の23番の元素Vは3d軌道に3個、4s軌道に2個はいってるので、次のCrはこれでいくと3d軌道に4個、4s軌道に2個になるはずじゃないんでしょうか?これと同じことが、NiとCuでも起こっているのですがなぜなんでしょうか?

Aベストアンサー

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。

Qp軌道の電子について

電子軌道について勉強しているのですが、わからないことがあったので質問させていただきます。

p軌道はアレイ型の軌道ですが、核の位置、すなわち∞(p軌道と考えてください)の中央の交点には電子が存在することはない、という記述がありました。

中央に電子が存在しないということは、電子が仮に右側の軌道にあったら、左側に移動することができない、逆もまた然りだとおもうのですが、どうでしょうか。そうしたら実際にはp軌道はアレイ型にはならないのではないかと思うのですが…。

電子軌道は電子の存在確率が90%以上(うろ覚え)の部分を模式的に表している、というのを聞いたことがあるのですがそれも関係しているのでしょうか?

Aベストアンサー

電子が古典力学的な粒子だと質問者さんのおっしゃる通りおかしいのですが、これは波の性質を考えると理解しやすいのではないでしょうか?
1次元箱型ポテンシャルの中の電子波(あるいは古典的な縄跳びなどの定在波でも良いですが)でも、量子数が上がると、p軌道の節と同じように振幅0の位置が発生しますね。
電子軌道の節も定在波にできる節と同じことです。

電子の位置は確率論でしか言えません。軌道が濃いところは、そこらへんに電子が居やすいということであり、節はいくら探しても絶対に電子が存在しないところです。
そして、確率の波(正確には確率に対応するのは軌道の絶対値の平方だが)をあらわしているのが電子軌道ですね。

電子軌道をどれくらいの確率のところまでプロットするかは、絵を描く人の勝手ですから、90%で描こうと50%で描こうとそれは自由です。
しかし、節の部分はもともと振幅0ですから、99%で描こうと99.9999%で描こうとそこに波の振幅は見えません。
もっと極端に100%で描こうとすると、軌道は無限遠の広がりを持ちますが、たとえこの場合においてもやっぱり節の空間には電子軌道の振幅はありません。

電子が古典力学的な粒子だと質問者さんのおっしゃる通りおかしいのですが、これは波の性質を考えると理解しやすいのではないでしょうか?
1次元箱型ポテンシャルの中の電子波(あるいは古典的な縄跳びなどの定在波でも良いですが)でも、量子数が上がると、p軌道の節と同じように振幅0の位置が発生しますね。
電子軌道の節も定在波にできる節と同じことです。

電子の位置は確率論でしか言えません。軌道が濃いところは、そこらへんに電子が居やすいということであり、節はいくら探しても絶対に電子が存在しな...続きを読む

Qσ結合、π結合、sp3混成???

こんにちわ。今、有機化学の勉強をしているのですが、よくわからないことがでてきてしまったので質問させていただきます。なお、この分野には疎いものなので、初歩的なことかもしれませんがよろしくおねがいします。

題名の通りで、σ結合、π結合、混成軌道とはどういう意味なのですか??手元にある資料を読んだのですが、全くわからなかったので、どなたかお教えいただければ幸いです

Aベストアンサー

σはsに対応しています。sとsの結合でなくともsとp他の結合でも良いのですが、対称性で、「結合に関与する(原子)軌道が(分子軌道でも良い)結合軸に関して回転対称である」つまり結合軸の周りにどの様な角度回しても変化のない結合です。
πはpから来たもので、結合が「結合に関与する軌道(同上)が結合を含む面内に『一つ』の節を持ち結合軸上に電子密度のないもの」を指します。当然sは使えませんpかdかから作ります。
混成軌道:例えばs1p3の軌道があったときこれらからsp+2×p、sp2+p、sp3のいずれの組み合わせを(数学的に)作っても、どれもが四つの「直交した」軌道になります。
この様に「典型的な」表現から他の数学的に等価な(直交した)はじめの軌道数と同数の軌道を作り出したものです。
もっぱら化学結合の立体特異性を説明するのに使われます。
ライナス・ポーリング先生達が考え出したもののようです。

Q結合性軌道と反結合性軌道とは?

結合性軌道と反結合性軌道とはどういうものなのでしょうか?
調べてみたのですが少し専門的で理解できませんでした。
初心者にも分かる程度にご教授お願いいたします。

また、「水素の分子軌道において、基底状態では反結合性軌道に電子が含まれない」ということも合わせて教えていただけるとうれしいです。

Aベストアンサー

分子の化学結合理論で、分子軌道法という理論の中で使われます。
文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。

まず、簡単に水素原子2つから水素分子1つができる過程を考えます。
それぞれの水素は1s軌道に電子を1つずつ持っています。
この2つの1s軌道は相互作用し、エネルギーの異なる2つの軌道ができます。
このときエネルギーの低い方の軌道は、2つの軌道の電子波の位相(波動関数の符号)を合わせて重なります。
すると重なった部分(2つの原子間)の電子密度が高くなり、この軌道の電子は2つの原子核を引き寄せ結合を生成しますから、「結合性軌道」と呼ばれます。
しかしエネルギーの高い方の軌道では、2つの軌道の電子波は位相を逆向きにして重なるのです。
すると、重なった部分の電子密度は低くなり、2つの原子間とは反対方向の電子密度が高くなります。
結果、この軌道はそれぞれの原子を結合とは逆向きに引き離し、結合を破壊する性質を持つので「反結合性軌道」と呼ばれます。

水素分子H2では、このように2つの1s軌道から結合性軌道・反結合性軌道ができます。
電子は合わせて2つです。パウリの原理に従い、エネルギーの低い軌道から電子を詰めていくと、2つの原子はどちらも結合性軌道に位置します。
反結合性軌道には電子は入っていません。

結合次数は (結合性軌道中の電子 + 反結合性軌道中の電子)/2 で求められます。水素分子の結合次数は1となります。
水素分子の結合は単結合である、ということに一致していますね。

分子軌道法はこのように考えます。

分子の化学結合理論で、分子軌道法という理論の中で使われます。
文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。

まず、簡単に水素原子2つから水素分子1つができる過程を考えます。
それぞれの水素は1s軌道に電子を1つずつ持っています。
この2つの1s軌道は相互作用し、エネルギーの異なる2つの軌道ができます。
このときエネルギーの低い方の軌道は、2つの軌道の電子波の位相(波動関数の符号)を合わせて重なります。
すると重なった部分(2つの原子間)の電子密度が高くなり、この軌道の電子は2...続きを読む

QCu2+、Co3+のできる理由とその電子配置について

Cu2+、Co3+のできる理由とその電子配置について

 いつも大変お世話になっております。
CuとCuの電子配置は、
 Cu:[Ar].3d10.4s1
 Co:[Ar].3d7.4s2
となっており、そのことからイオンになるとCu1+、Co2+となるのは
納得できるのですが、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。
 よろしくお願いします。

Aベストアンサー

> 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、
 Cr:[Ar]3d5 4s1
 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。

> 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、
 Cr:[Ar]3d5 4s1
 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...続きを読む

Q時効硬化について教えてください

時効硬化について調べている学生です。
なぜ時効について調べているかというと、
ジュラルミンの使用限界を決めるものは何か
という課題が出され、教授が
時効温度が高いと強度のピークも早いけど、過時効も早い
というヒントをくれたからなのですが・・・

時効硬化は材料中の析出物の拡散によって起こり、
時間が経って拡散していた析出物が寄り集まって最適な大きさ・密度になったとき硬さが最大となる現象
と理解しました。
図書館で借りた本には時効時間がと硬さに関するグラフが載っていて、時効温度が低温になるにつれ、硬さのピークが右にずれ、ピークも大きくなっています。
文章には
「時効温度が高いと原子の拡散速度が大きくなる」
というようなことを書いてあるのですが、ピークが右にずれるのはこれでわかるのですが、なぜ硬さの最大値まで大きくなるのでしょうか。

そして、課題を解く上で、こちらが本題なのですが、
時効温度・時効時間とはなんなのでしょうか。
もし時効温度が時効しているときの温度ならば、ジュラルミンは常温で時効を起こすわけで、常温は変えられないから過時効までの時間も変えられない。となると、課題を解く方向性が間違っている気がしてなりません・・・

あまり整理された質問ですが、どうかよろしくお願いします!

時効硬化について調べている学生です。
なぜ時効について調べているかというと、
ジュラルミンの使用限界を決めるものは何か
という課題が出され、教授が
時効温度が高いと強度のピークも早いけど、過時効も早い
というヒントをくれたからなのですが・・・

時効硬化は材料中の析出物の拡散によって起こり、
時間が経って拡散していた析出物が寄り集まって最適な大きさ・密度になったとき硬さが最大となる現象
と理解しました。
図書館で借りた本には時効時間がと硬さに関するグラフが載っていて、時効温...続きを読む

Aベストアンサー

少し整理してから考えましょう。ジュラルミンを例にします。
熱力学的には「常温でα+θの二相状態が安定」である合金があります。これを高温でα一相の状態にさせた後に急冷して「(一見安定な)常温でα一相」を得ます。これは熱力学的には不安定なので、二相状態に近づこうとしています。近づくための材料内部の挙動とは「固溶した溶質原子を移動・集合させてα+θ状態に近づく」ことです。固体内での原子の移動・集合(拡散)には時間と温度が必要です。原子の集合の度合いによって硬さが変化するので最大硬さのあたりを目指して「原子の集合の度合い」を制御する(時効処理する)わけです。
  「原子の集合の度合い(析出状態)」は原子の移動・集合の度合いで定まり、これは時間(時効時間)と温度(時効温度)との関数関係になります。時効温度が変動したとしたら、それを反映した析出状態になるばかりです(事実上無視)。ここから二段時効などの処理が考えられました。
  さて、本題の質問がどれか不明ですが、「使用限界を定めるものは何か」として進みます。課題の意図は析出状態を考慮せよということだと考えます。過時効にならない時効条件と使用温度条件をグラフから読み取ることでしょう。熱処理条件を考えると、使用初期からの強度が欲しいので、工業的には析出をかなり促進させた時効温度・時効時間条件が欲しいでしょう。使用温度を考えると、常温であれば過時効は有限の時間にはやって来ないでしょうし、常温程度となるでしょう。時効条件と使用温度は材料の便覧などに示されるものの背景の一部がこれらのことです。これらの他に、実用上は「長時間強度(遅れ破壊)」が気になります。

少し整理してから考えましょう。ジュラルミンを例にします。
熱力学的には「常温でα+θの二相状態が安定」である合金があります。これを高温でα一相の状態にさせた後に急冷して「(一見安定な)常温でα一相」を得ます。これは熱力学的には不安定なので、二相状態に近づこうとしています。近づくための材料内部の挙動とは「固溶した溶質原子を移動・集合させてα+θ状態に近づく」ことです。固体内での原子の移動・集合(拡散)には時間と温度が必要です。原子の集合の度合いによって硬さが変化するので最大硬さのあたり...続きを読む


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