化学

Question

原子は電子配列を安定させようとしてイオンになりますよね。また安定状態のほうが低エネルギーですよね。　塩素（不安定）が塩化物イオン（安定）になるとエネルギーが下がるのは分かるんですが、ナトリウム（不安定）がナトリウムイオン（安定）になって何故エネルギーが上がるんですか？　ガチで悩んでるのでよろしくお願いします。

Saturn5 · Accepted Answer

私の立場は高校の教員です。
この内容は１つ１つは高校レベルの話ですが、実際はそこまで理解できる人は
すくなく、イオン化エネルギーが負数であることから反応の進行に疑問を持つ
人も少ないです。
質問者様の着眼点が良かったのである程度まで回答しました。

＞電子配列が安定　だから低エネルギー　という考え方が間違っていたんですね。
間違ってはいないんですよ。
電子配置を考えると電子が１個余ってるから、電子を出した後に安定な閉殻構造に
なるから、アルカリ金属のイオン化エネルギーは低いのです。
ただ、低いと言ってもある程度のエネルギーが必要なので、アルカリ金属であっても
放置して、Ｎａ → Ｎａ＋　＋　ｅ－ になることはありません。
このｅ－を別の原子が受けたったときに発生する電子親和力やイオン結晶の格子エネルギー
などの兼ね合いなのです。

＞希ガスが完璧な電子配列をしているからといって低エネルギー
いえいえ、高校レベルというか、常温付近の化学反応ではこの理論だけで説明できますよ。
化学のほとんどの力はクーロン力に由来します。
電子にはたらくクーロン力は陽子数が多いほど強いし、原子核から遠いほど弱くなります。
ですから、同一電子殻で陽子が最も多い希ガスは安定で多原子とほぼ反応しません。
しかし、ＸｅやＫｒのような大きな希ガスはクーロン力が弱いので、Ｆのような小さな
ハロゲン反応します。でも、これは例外で高校生が覚える必要はありません。

Saturn5 · Answer

＞電子配列が安定　だから低エネルギーという考え方が間違っていたんですね。
ある意味では合っていますが、全体を考えないと行けません。
原子から電子を引き離すにはどうやってもエネルギーが必要です。
このエネルギーは電子殻の大きさと陽子の数で決まっています。
※排他律や遮蔽効果もありますが、とりあえず無視してください。

すなわち、同じＬ核の電子では、Ｎａは陽子が１１個でＡｒは陽子が１８個です。
ですから、Ｎａの方がクーロン力が弱く電子が取りやすく、イオン化エネルギーは
小さくなります。Ａｒは陽子が多くイオン化エネルギーは大きくなります。

Ｎａがいくらイオン化エネルギーが小さくても、電子を取るためにはエネルギーが
必要で、イオン化エネルギーは負数で表されます。
原子がイオン化するということは、電子を放出することであり、他の原子がこの
電子を受け取ります。このとき、ＦやＣｌのハロゲンでは、電子殻が小さい割に
陽子数が大きいので電子親和力が大きくなります。また、ＮｅやＡｒでは外殻に
電子が入るため、電子親和力は小さくなります。

上記のように、Ｎａが単独でＮａ＋になることはまずありません。
それをしようと思えば、高熱でＸ線をあてたり、核反応のような強いエネルギーが
必要です。通常は近くに電子を受け取る原子があり、その原子の電子親和力が
大きい場合、イオン結合の格子エネルギーも考慮してイオンになることがあるのです。

Saturn5 · Answer

＞ナトリウムが水に溶けてナトリウムイオンになる。という反応がぞんざいしないのでしょうか？
この反応は水素小野電子のやりとりとか、Ｈ２の発生、金属の格子エネルギーの解放などが
からんで、エネルギーを考えるときに適当な問題ではありません。

＞僕が聞きたいのは、ナトリウムという電子配列的に不安定な状態からナトリウムイオンという安定した状態になる。電子配列的に安定した状態はエネルギーが低い状態になる。←この考え方は正しいのか、
熱化学方程式から見て、Ｎａ＋の方がエネルギーが高いことはおわかりだと思います。
電子を１つ取るということはどこの電子軌道であれ、クーロン力に逆らった仕事をすることに
なります。ですから吸熱反応なのです。
前から書いているように、この反応は単独ではおきません。ＮａよりＮａ＋の方が安定である
という説明はウソです。

＞イオン化エネルギーは定義通り正。ということは陽イオンになるとNa = Na+ + e- -496kJ　　この反応は吸熱反応　ということはナトリウムイオンはナトリウムより高いエネルギーレベルになる。　矛盾してません？
この反応は単独では起こりません。しかし、１つの原子が電子を出すと言うことは別の電子が
受け取る訳です。確かにＮａから電子を取ると１ｍｏｌあたり４９６ｋＪのエネルギーが
必要ですが、その電子をＣｌ原子が受け取ると３４９ｋＪ返ってきます。これでもまだ足りない
のですが、Ｎａ＋とＣｌ－がイオン結合をすれば２００ｋＪくらい（手元に資料が無いので適当）
のエネルギーが返ってきてトータルで＋となります。

ですから、Ｎａが自ら電子を放出してＮａ＋になることはありません。
必ず相手に電子を受け取る原子が存在し、それとの合計のエネルギー損益で反応が
進行するか停止するか決まります。

Saturn5 · Answer

Na(気) = Na+(気) + e- -496kJ
Cl(気) + e- = Cl-(気) + 349kJ
上記でわかるように、この反応熱はトータルで負です。
ですから、生成物の方がエネルギーが高い（不安定）になります。
ＮａＣｌというイオン結晶を作るところまで考えると反応熱が正に
なって反応が進みます。

＞理論的にナトリウムが水に溶けてナトリウムイオンになる時、吸熱反応ですよね
ナトリウムと水の反応は発火するくらいの発熱反応です。
ご質問は塩化ナトリウムが水に溶ける場合ではないでしょうか？
自然界の反応はほとんどが発熱反応です。なぜなら、反応とはエネルギーが高い
不安定な状態からエネルギーが低い安定な状態に変化するものだからです。
しかし、一部に吸熱反応も存在します。
これは熱エネルギー（ギブスエネルギー）だけではなくエントロピーエネルギーも
関係してくるからです。エントロピーエネルギーとは原子や分子が乱雑な状態に
なった方が安定であるということです。ですから、ＮａＣｌは結晶であるよりも、
水中に分散した方が自由度が増してエントロピーエネルギーが増えるということです。
ＮａＣｌの場合は結晶の格子エネルギーが失われるて水分子の水和エネルギーが
生まれます。この２者ではトータルマイナスなので全体の反応熱は負になります。
しかし、溶解した方がエントロピーが増えるのでＮａＣｌは溶解します。
ＡｇＣｌも溶解熱は負ですがこの値がＮａＣｌより大きいので、エントロピー
エネルギーはこれを超えることができません。よって、水に溶けないのです。

Saturn5 · Answer

イオン化エネルギーは負であり、電子親和力は正であり、トータルでは
負になるということですが、これを簡単に書いてみます。

Ｎａ原子から電子を１つとるには１５０円必要です。
Ｃｌ原子に電子を１つ与えると１００円もらえます。
ですから、Ｎａの電子をＣｌに移動させると５０円マイナスになるので、
だれもこのようなことをしません。
でも、できあがったＮａ＋とＣｌ－を組み合わせると１００円くれます。
だから、イオン化させるところでは高エネルギーで不安定な状態であっても、
最終的にイオン結晶にするところまでを考えるとトータルで安定化されるので
イオン反応が進行するのです。

Tacosan · Answer

定義上, イオン化エネルギーは必ず正だよね.

「ナトリウム（不安定）」とか「ナトリウムイオン（安定）」とかの意味はわからんのだが.

Saturn5 · Answer

いい良い質問だと思います。前半部は書いておられる通りです。
後半部に書いておれれるように、Ｎａ原子はＮａ＋になるとエネルギー的に
不利になります。そして、このエネルギーの大きさはＣｌがＣｌ－になる
ときに放出されるエネルギーより大きいです。

すなわち、Ｎａ　＋　Ｃｌ　→　Ｎａ＋　＋　Ｃｌ－ の反応は
エネルギー的に不利になり、これだけでは起こりません。
しかし、Ｎａ＋ と Ｃｌ－ がイオン結合をして、無数のイオンからなる結晶
ＮａＣｌを作るときにエネルギーが放出されます。
トータルでここまで考えれば安定化で反応が進行します。

基礎科学ではそういうことを書くと難しいから、ＮａはＮａ＋になった方が
有利と便宜上書いてあるだけです。

化学

私の立場は高校の教員です。

＞電子配列が安定 だから低エネルギーという考え方が間違っていたんですね。

＞ナトリウムが水に溶けてナトリウムイオンになる。

Na(気) = Na+(気) + e- -496kJ

イオン化エネルギーは負であり、電子親和力は正であり、トータルでは

定義上, イオン化エネルギーは必ず正だよね.

いい良い質問だと思います。

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