フッ化物イオンの電荷が-1であり、-2以上の電荷がないのはなぜですか？

オクテット則は通常、グループI、II、VI、およびVIIの原子が持つ電荷を説明するために使用されます。イオン性化合物では、「希ガスは安定しているので、8つの価電子を持つことは何らかの理由で安定している必要があります」などと言います。これは真実ですが、希ガス構成が安定している理由を理解することは重要です。それを知らずに、一部の原子が希ガス構成を採用しないのは魔法のようです。

オクテット則は、イオン電荷をすばやく予測してルイス構造式を記述するための便利な方法ですが、原子が従う魔法の法則ではありません。彼らは特定の電子構造を取得することを「望んでいない」または「試みて」いないが、私たちはしばしば彼らのように話します。本当に重要なのは電子配置の総エネルギーです。最も低いエネルギーの電子配置が最も安定しています。 。

「安定性」は実際には「最低エネルギー」を意味します

合計電子配置のエネルギーは、次の2つの要素によって決まります。

1. 電子軌道のエネルギー
2. 電子によって「見られる」有効な核電荷

軌道エネルギーは、原子軌道が基底状態の電子によって占められる順序、つまり、特定の原子に対して電子が存在する軌道を決定します。経験的証拠と量子力学からわかります。ほとんどの要素で次数がこのようになる計算（一部の遷移金属やより重い元素は対象外）：

電子は「ゼロから」これらの軌道を占有します”（オーフバウ原理と呼ばれます）。したがって、第4周期の元素の場合、$ 4p $サブシェルが満たされる前に$ 3d $サブシェルが満たされることがわかっています。

原子軌道図は、間接的に別のことを示しています。主量子数$ n $（価電子殻の場合は行番号または周期番号に等しい）は、軌道の最も高い電子密度領域の原子核からの距離にほぼ対応します。つまり、任意のサブシェル$ n = 4 $の場合、その電子密度の大部分は、$ n = 3 $のサブシェルよりも原子核から離れています。これは、$ 3d $電子が原子核に近いことを意味します。 $ 3d $電子は最初はより高いエネルギーを持っていますが、$ 4s $電子。

原子核からの電子の距離は$ n $にほぼ比例します

電子は負の電荷を持ち、原子核は正に帯電しているため、電子間に静電ポテンシャルエネルギーがあります。電子が原子全体に均一に分布している場合、各電子によって「感じられる」核電荷は、陽子の数、つまり原子数に等しいと予想されます。ただし、量子力学の「規則」（シュレディンガー方程式の許容される解）のため、電子は均一ではありません分散-特定の配置で軌道を占有します。一部の電子は他の電子よりも原子核に近い（$ n $が低い）ため、これは核電荷が内部電子によって部分的に遮蔽され、外部電子が 有効核電荷 これは完全核電荷よりもいくらか少ないです。ウィキペディアのこの図は、アイデアを示しています。

これは、ボーアモデルを使用したアイデアを示しています（注意してください）これは概略図であり、電子が軌道上でどのように「見える」かを正確に示したものではありません。原子核からの相対距離のみが正しいのです）

価電子が大きな有効核電荷を経験すると、除去が困難になり（除去するためのエネルギーコストが増加します）、有効核電荷が低いと、除去が容易になります。実際の有効核電荷を正確に計算することは非常に困難ですが、推定するのは非常に簡単です。陽子の数を取得し、「スクリーニング」電子の数を差し引くだけです。基本的に、原子核と原子核の間の各電子が1つの陽子を打ち消すと仮定しています。

$$ Z_ {eff} = Z –S $$

ここで、$ Z_ { eff} $は有効核電荷、$ Z $は実際の核電荷、$ S $はスクリーニング定数であり、ここでは「コア」電子の数と等しいと仮定しています。

$ Sを見つけるには$、あなたがしなければならないのは、$ n $が原子核殻（最高$ n $）よりも小さい電子の数を数えることです。

例としてフッ素を取り上げると、電子配置は次のとおりです。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 5 $$

$ Z = 9 $と$ S = 2 $であり、有効核電荷は+7であることがわかります。それをリチウムと比較してください：$ 3-2 = + 1 $。フッ素の価電子は、リチウムの価電子よりも除去が約7倍困難です。実際、フッ素の左側にある元素は、原子価殻の有効核電荷が低く、フッ素よりも電子を放出しやすくなります。言い換えれば、フッ素が電子をあきらめないということではなく、電子を奪うことはできないということです。

電子を追加するとどうなりますか？$ \ ce {F -} $の場合、電子配置は次のようになります。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 6 $$

$ Z_ {eff} $は、コアの数が多いため、+ 7のままです。電子のスクリーニングは変わっていません。これは、フッ素が電子を拾うことがエネルギー的に有利であることを意味します。これは、追加の電子が依然として大きな正の核電荷を「見る」ためです。

別の電子を追加すると、$ \ ce {F ^ {2-}} $？これで、構成は次のようになります。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 1 $$

$ Z_ {eff} $は$ 9-10 = -1 $-になります。 「新しい」原子価殻が$ n = 3 $であるため、スクリーニング電子の数が10に跳ね上がったことに注意してください。言い換えれば、許可された軌道構成のために、新しい電子は原子核の負の電荷を「見る」ことになります-それを維持するためにエネルギーが必要になります。

すべての「固定電荷」要素に対してこのプロセスを実行すると、同様のことがわかります。電子を獲得する要素の有効核電荷は、電子を獲得する要素が多すぎる（オクテット）まで大きく、その時点で大きくなります。負になります。固定電荷金属の場合、別のことが起こります。マグネシウムを見てみましょう。

$ \ ce {Mg} $：$ 12-10 = + 2 $

$ \ ce {Mg ^ 1 +} $：$ 12-10 = + 2 $

$ \ ce {Mg ^ 2 +} $：$ 12-2 = + 10 $

2つの電子を取り除くと、有効核電荷は+10に跳ね上がります。残りの価電子についても同じです。同じことがすべてのグループIおよびIIの金属にも当てはまります。貴ガスの「コア」（オクテクト）に到達すると、価電子から見た有効核電荷が大幅に上昇します。

これは、「固定電荷」要素がイオン性化合物で常に同じ電荷を持つ理由を説明していますが、遷移金属についてはどうでしょうか？

クロムを見てみましょう。電子配置は次のようになります。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 23d ^ 4 $$

どの電子が価電子ですか？ $ n $が最も高いもの-4s電子。彼らが「見る」有効核電荷は$ 24-22 = + 2 $です-$ 3d $サブシェルの4つの電子は$ n = 3 $であり、4未満であるため、スクリーニングとしてカウントされることに注意してください。それらは、最初はエネルギーが高いにもかかわらず、価電子殻よりも核に近い。

電子を取り除くと、次のようになります。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 64s ^ 13d ^ 4 $$（これは正確には正しくありません。実際には、$ 4s $電子と5 $ 3d $電子はありませんが、理由は複雑であり、問題ではありません。この説明へ）

価電子（$ 4s $電子）を削除したことに注意してください。 $ Z_ {eff} = 24-22 = + 2 $-変更されていません。もう1つ削除して$ \ ce {Cr ^ {2 +}} $を作成し、次のように取得できます。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 63d ^ 4 $$

これで、「価数」の定義が少しわかりにくくなります。$ n $の最大値が価数に対応することがわかります。シェルですが、軌道の形である$ l $はどうですか？d軌道はsおよびp軌道よりも大きいため、sおよびp電子は最終的にd電子から核を遮蔽します。これはd電子が次に除去すると、それらによって「見られる」実効核電荷は$ 24-18 = + 6 $です。これはより大きな電荷ですが、他の要素（特に酸素とハロゲン）がまだdを引っ張ることができないほど大きくはありません。離れた電子。これにより、+ 1から+6までの範囲のクロム電荷（酸化状態）が得られます。 $ Cr ^ {6 +} $の場合、電子配置は次のようになります。

$$ 1s ^ 22s ^ 22p ^ 63s ^ 23p ^ 6 $$

有効核電荷は$ 24-10 = + 14 $-強すぎて他のものに「勝つ」ことはできません。

ご覧のとおり、量子力学の規則によって、原子軌道の相対的なサイズとその順序が決まります。それらは満たされ、それが次に価電子が与えられた中性原子またはイオンに対して「見る」有効核電荷を決定します。この2つの組み合わせにより、原子イオンが持つことができる電荷に制約が生じ、実際の結果として、グループI、II、VI、およびVIIの元素は「充填オクテット」または「希ガス」構成を採用し、他のグループは柔軟性があります。

コメント

• 核の有効電荷の適切な使用法であり、一般的には良い答えです。極端な状況では、計算が実際に負の値になる可能性があるとは考えていませんでした。これは、少なくとも1つの価電子が原子核から結合されていないことを強く示唆しています。ただし、他の読者には、あなたの計算は非常に定性的であり、スレーター'に基づく計算よりもはるかに定性的であることを指摘する必要があります。ルール。もちろん、あなたの主張は依然として有効ですが、計算された有効電荷の大きさをあまり真剣に受け止めないことをお勧めします。
• @ Nicolau-その'理由実際の実効料金ではなく、見積もりであることを明確にしようとしました。
• @thomij I 'あなたの声明について疑問に思っています、"これは、3d電子のエネルギーが高いにもかかわらず、3d電子が4s電子よりも原子核に近いことを意味します。"そうです、なぜ電子が原子核に近いほどエネルギーが高くなりますか？
• @ ron-一般的に使用される議論は、混雑" dサブシェルで、3sおよび3p軌道に近接しているため。本当の理由はもっと複雑ですが、要するに、最も外側のピークが遠くにあるとしても、4s電子は原子核に近い密度ピークを持っています。エネルギー準位は、軌道が満たされると実際に動き回り、3D軌道が満たされ始めるまでに、エネルギーが高くなる場合とそうでない場合があります。答えを編集して、より正確にします。

フッ素原子の電子構造は次のとおりです。 $ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 5} $。満たされた電子殻に関連する追加の安定性により、原子がオクテットを達成する（不活性ガス構成を達成する）ための強力な推進力があります。オクテットを完成させてネオン不活性ガス配置（$ \ ce {1s ^ 2 2s ^ 2 2p ^ 6} $）を実現するには、フッ素が1つの電子を獲得し、フッ化物アニオンになる必要があります（$ \ ce {F ^ {- }} $）。 2つの電子を獲得して$ \ ce {F ^ {-2}} $になるか、1つの電子を失って$ \ ce {F ^ {+}} $になると、外殻にオクテットがなくなります-まるで1つの電子を獲得するかのように安定することはありません。同じ理由で、たとえばナトリウムが1つの電子だけを失うことを好む理由が説明されています。遷移元素はより大きな電子配置を持っており、不活性ガス配置を実現するために3つまたは4つの電子を獲得または喪失する必要がある場合があります。 3つまたは4つの電子を追加または削除するには多くのエネルギーが必要です。したがって、不活性ガス構成を実現せずに1つまたは2つの電子を追加または削除すると、削除する電子の数が少なくなるため、許容できる代替手段になります。これらの場合、（プラスまたはマイナス）1、2、3、または4の酸化状態が実現可能になります。

いくつか主族元素は複数のイオンを形成しますが、遷移元素の類似体はあまり一般的ではありません。

例：

• 水素-水素は両方の$ \ ce {H +} $イオンを形成します（プロトン）と$ \ ce {H-} $イオン（水素化物）
• Tin が$ \ ce {Sn ^ {2 +}} $および$ \ ce {Sn ^ {4 +}} $カチオン

フッ化物陰イオンは負の2つの電荷を持つことができます。フッ化物陰イオンに2つの電子を追加することは不可能ではありません。しかし、負の1形式電荷を持つフッ化物陰イオンは貴ガス-ネオンと等電子的であるため、その時点ではかなり不安定になります。

Inさらに、フッ化物アニオンの高い電荷密度を考慮してください。フッ化物への余分な電子のタックは問題ありませんが、電荷密度の低い塩素原子に比べてそれほど有利ではありません。フッ化物の電気陰性度が高いにもかかわらず、フッ素は実際には塩素よりも電子親和性が低くなります。 。 2つの余分な電子をタックすることは好ましくありません。

これは、オクテットや電子殻を直接含まない、他を補完する簡単な議論です。等電子種$ \ ce {Na ^ 0} $、$ \ ce {Ne ^ {-}} $、および$ \ ce {F ^ {2-}} $を比較します。これらはすべて同じ$ 1s ^ 22s ^ 22pを持ちます。 ^ 63s ^ 1 $基本構成。リストを左から右に移動すると、原子核から陽子が徐々に除去され、価電子が原子に結合しにくくなります（電子を内側に引っ張るための原子核の正電荷が少なくなります）。元素金属ナトリウムは、価電子が比較的緩い（イオン化エネルギーが低い）ため、すでに非常に反応性が高くなっています。原子核から2つの陽子を除去して$ \ ce {F ^ {2-}} $を生成すると、種が作成されますはるかに more金属ナトリウム（！）よりも反応性が高く、どのような条件でもすぐに少なくとも1つの電子を失うことが予想されます。

実際、$ \ ce {F ^ {2-}} $は不安定すぎます。そもそも形成される。繰り返しますが、上記のリストの等電子種を比較すると、$ \ ce {Ne ^ {-}} $に注目します。ネオンは実際にはすでに電子親和力を持っています。これは実質的にゼロまたは吸エルゴン反応です。言い換えると、反応$ \ ce {Ne ^ 0 _ {（g）} + e ^ {-}-> Ne ^ {-} _ {（g）}} $実際に左に駆動されていない場合でも、すでに右への駆動はほとんどありません。これは、反応$ \ ce {F ^ {-} _ {（g）} + e ^ {-}-> F ^ {2-} _ {（g）}を示唆しています。 } $（フッ素の2番目の電子親和力）は強い吸エルゴン反応であり、それほど大きくなることはありません。