価電子と最外殻電子の違いは?なぜ一致しない?化学基礎の電子配置の求め方をわかりやすく説明!

こんにちは。

今回は、化学を学ぶ上で、
どんな物質を取り扱う場合にも考慮しなくてはいけない
「電子配置」について、楽しく学んでいきましょう。

今回も、ふーくんせいちゃんで例えた「男女の関係」をイメージしてみます。
初めてお越しの方は、こちらこちらをお読みいただけると、化学を恋愛で考えるイメージができるかもしれません。
もちろんこのページでもわかるよう説明していくので、すっ飛ばしても構いません。笑

電子配置は、浮気が許容された世界です…
登場する男の子女の子が、果たして何股を掛けるか?という点に着目してください!

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原子核(せいちゃん)電子(ふーくん)

原子について以前用いた図なのですが、


原子の中心は、陽子と呼ばれるハート(正電荷)をもつ女の子である、原子核(せいちゃん)です。
正電荷を持っているので、せいちゃんと名付けています。

そして、持っている陽子の数だけ、電子(ふーくん)と呼ばれる男の子が、せいちゃんに魅力を感じて近寄ってきます。
電子は負電荷を持っているため、ふーくんと名付けています。

原子の種類(元素)によって、原子核が持つ陽子の数が変わるので、近寄ってくる電子の数も変わります。

例えば上の図では、原子核(せいちゃん)が4個の陽子を持っているため、4人の電子が近寄れるだけの魅力を持っています。
すでに、せいちゃんが4股を掛けているとは…ドロドロの関係ですね。笑

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電子には順位がある

原子核に近いほど安定(エネルギーが低い)

原子核(せいちゃん)は、上記のようにたくさんの電子(ふーくん)を手中に引き留めておくことができるテクニシャンなのですが、笑

その中でも優先順位があるということを心に留めてください。
言い換えれば、電子によって原子核(せいちゃん)との距離に差があるということです。

エネルギーについては以前こちらでお話しましたが、
電子にとっては、原子核との距離が近いほど心が落ち着いて、エネルギーが低くなります。優先順位が高いと、原子核の近くでいちゃいちゃできるわけです。

しかし、原子核も沢山の電子を近くに置いておけるわけではないので、
数が多くなると優先順位の低い電子も出てきます。
原子核からは一定の距離を保たれるので、先ほどに比べてエネルギーは高いです。エネルギーが高くなりすぎて不安定になった電子は、相手にされないことを憂いて飛び出してしまうこともあります。

電子は2人1組

原子核を女の子に例えると、人間なので2本の手がありますね。
同時に2人の電子と手を繋ぐことができます。

つまり、同じ距離感(同じエネルギー、安定度)で居られる電子は
常に2人1組の単位になります。

以下に図を用いて説明します。


原子核と直接手を繋げる一番安定なポジションをK殻と呼んでいます。
図のように2人の電子がここに収まります。

そして、ここに収まることのできなかった電子は、
外側に設けられた4つのL殻と呼ばれる部屋にバラバラに入っていきます。
L殻の部屋も2人ずつ入れるので、合計8人分のスペースがありますが、
原子の場合は、陽子の数しか電子が入れないので、L殻には2人の電子がいる状態です。

元素によっては陽子の数が多いので、
L殻が埋まっても入りきらない場合が出てきます。
その時は更に外側にある部屋(順番にM殻、N殻、…)に入るのですが、
原子核との距離は遠いので、電子もエネルギーが高くイライラしてくるので、外に飛び出やすくなります。

価電子と最外殻電子の違い

ここまで読んで頂いた方は、
価電子最外殻電子という言葉がすっと頭に入ってくると思います。
では、2つの言葉を定義していきましょう!

価電子とは?

先ほどの図のように、原子核がよく見える見晴らしの良い部屋の数は、
K殻は1個(2人分)、L殻、M殻、N殻、…はそれぞれ4個(8人分)しかありません。
価電子とは、最も外側の殻の4個の部屋に入っている電子の数です。(K殻が最も外側の場合のみ例外で部屋の数は1個です。)

では、なぜこの価電子が重要かについて説明します。

化学では外側の殻がすべて埋まった満席(希ガス配置)の状態がバランスが良く、芸術点のようなものが与えられます。笑

なので、この価電子がいくつあるかで、「何人入ってこれば(出ていけば)満席になって芸術点が貰えるか」が決まり、その結果原子がどういう特徴を示すかが変わってきます。価電子が重要な理由は、価電子の個数で、満席(希ガス配置)をとるための方法が変わり、原子の性質が決まるためです。

満席(希ガス配置)の芸術点を目指して、原子は日夜電子を求めたり、逆に放出したりしていることを覚えておいてください。

※原子(ハートの数である陽子数と電子の数が同じ状態)が既に満席の場合、その原子は希ガスと呼ばれ、満席であるため価電子は0となる点に注意です。

最外殻電子とは?

最外殻電子とは、言葉のまま捉えれば、「最も外側の電子殻に入っている電子」です。テストなどで問われたときにはこの通り答えれば大丈夫なのですが、実際は複雑で、簡単な言葉では説明できません。

高校の化学を学んでいる方は、

  • 大事なのは価電子見晴らしの良い4個の部屋(8人分のスペース)
  • 最外殻電子は見晴らしの良くない穴場の部屋も含んだ数

というイメージを持ってくれれば大丈夫です。少し図を用いて説明します。

M殻よりも大きい(原子核からの距離が大きい)電子殻になると、大きい分更に電子の入れる部屋を置くことができます。しかし、青色の部屋は木の陰になって見晴らしが悪く、距離の割には愛しの女の子をまじまじと見ることもできません。

ならば、更に遠くても良いから見晴らしのよい緑色の部屋に先に入ろう!ということになるわけです。

基本的に、考えるべきは見晴らしの良い部屋の取り合い、すなわち価電子になります。最外殻電子とは、見晴らしの悪い例外的な部屋に入った電子も含めた、最も外側の電子殻に入った電子ということになります。

これが、価電子と最外殻電子の個数が異なる理由です。

ちなみに、価電子の個数は以上の理由から0~7個になりますが、最外殻電子の最大収容数は、2、8、18、32…と\(2n^2 \)の法則で増えていきます。

まとめ

  1. 電子には順位があり、原子核に近く、見晴らしの良い(エネルギーの低い)部屋から順に埋めていく!
  2. 価電子とは、最も外側の殻の4個の部屋に入っている電子の数
  3. 価電子は満席(希ガス配置)の芸術点にどれだけ近いかを表す!
    原子は常に満席になりたがるので、価電子が原子の性質を決める
  4. 最外殻電子とは、見晴らしの悪い部屋に入った電子も含める!

以上になります。最後までお読みいただきありがとうございました。

ちなみに

高校の範囲では、価電子を考慮することで、理論化学、無機化学、有機化学の大半を理解することが可能です。

しかし、実際には見通しの悪い部屋に入った電子が作用して実際の物質を作っている例ももちろんあります。この場合には価電子以外のものについて理解をしなければいけません。

金属を始めとした無機化学では価電子以外の電子が重要になりますが、高校では取り扱わない理論になります。受験生が無機化学をある程度暗記する必要がある一つの理由です。

大学に入ると「量子化学」という分野を少しずつ学んでいくことで
電子配置の詳しい全貌が明らかになります。

僕も量子化学はあまり得意ではないので、機会とやる気があれば電子配置について更に詳しく触れたいと思います。

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