化学の授業中の余談で

質問

化学の時間に先生が余談でおっしゃっていたことなんですが、
１)Caはどうして残りがあるM殻を使わずN殻を使うのですか？

2)原子の性質が最外殻電子で決まるのは、なぜですか？

3)Caに水を入れると水素が発生するのはなぜですか？

この三つのどれかについて、詳しく書いてある本などをご存知でしたら教えて下さい。
あと、『なぜですか？』というのは『どのような原理ですか』というような意味です。
１つ目は難しいらしいですが、私はただ好奇心が…
直接説明、も喜んで聞きます！
よろしくお願いします。

回答No.4

rei00 · ベストアンサー

この質問，化学を理解する上で重要な点を突いた中々良い質問です。それだけに回答にも難しいものがあります。下記の回答を御覧になって，不充分であれば補足下さい。

> 1) Caはどうして残りがあるM殻を使わずN殻を使うのですか？

　どこまで習ってられるかが良く解らないのですが，Ｋ殻，Ｌ殻，Ｍ殻，Ｎ殻，・・・と一纏めで呼んでいますが，電子軌道をもっと細かい 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, ・・・といった種類があるのは御存知でしょうか。

　高校で習うＫ殻は 1s 軌道（１個）の事，Ｌ殻は 2s 軌道（１個）と 2p 軌道（３個）の事，Ｍ殻は 3s 軌道（１個），3p 軌道（３個），3d 軌道（５個）の事，Ｎ殻は 4s 軌道（１個），4p 軌道（３個），4d 軌道（５個），4f 軌道（７個）の事です。つまり，数字の 1, 2, 3, 4, ・・・が殻のＫ，Ｌ，Ｍ，Ｎ，・・・に対応し，それぞれの中にs, p, d, f, ・・・の細かい電子軌道が存在すると考えて下さい。

　これらの軌道に電子が入っているわけですが，その入り方には幾つかの規則があります。

　１）エネルギーの低い軌道から電子が入る。
　２）１つの軌道には２個までしか入れない。
　３）同じエネルギーの軌道があれば１個づつ入る。

　つまり，各電子軌道のエネルギーの低い順番が解れば電子が何処に入っているかが解ります。これは図を御覧いただく方が早いかと思いますので，参考 URL １番目（高等学校＿化学＿テキスト）の「化学 Ib」の「第1章　物質の構造」の「1.3 原子の構造」を御覧下さい。

　「図1.5：電子の入り方」を御覧いただけば解る様に，3d 軌道よりも 4s 軌道の方が低いエネルギーの軌道です。そのため，Ｍ殻の残り（3d 軌道）を使わずにＮ殻（4s 軌道）を使うわけです。

> 2) 原子の性質が最外殻電子で決まるのは、なぜですか？

　上記の参考 URL の「1.3.3　電子雲」の辺りや参考 URL ２番目（電子軌道）を御覧いただけば解るかと思いますが，電子は太陽の周りを回る地球の様な状態ではありません。太陽を取り巻く雲の様な状態です（それで電子雲）。そして，Ｋ殻，Ｌ殻，Ｍ殻，Ｎ殻，・・・と外側に位置します。

　ところで，「原子の性質」って何でしょうか？色々ありますね。でも，「化学的性質」に限ると，その性質を示す本体は原子殻を取り巻く電子です。中でも，最も性質が現れやすいのが一番外側に位置する電子（つまり，最外殻電子）です。

　他の電子は最外殻電子の雲で被われていますから，外からは状態が解り難いですね。いくら家の中で遊んでても目に見えないのに対して，学校で勉強してると真面目だとの印象を与えるのと同じです。

> 3) Caに水を入れると水素が発生するのはなぜですか？

　Ca は電子を与えて Ca(2+) のイオンになる性質があるのは知ってますか？　一方，水はそのままで安定ですが，電子を受け取って水素を発生する事もできます（水の電気分解を思いだして下さい）。

　両者の力関係の結果，カルシウムの電子を与える強さが勝り，Ca は電子を水に与えて Ca(2+) イオンになります。結果，水は電子を受け取って水素を発生させると同時に OH(-) イオンを残します。

　いかがでしょうか。高校生レベルですので『詳しく』というわけでもありませんが，下記の講談社ブルーバックスには，「化学」の理論的な事が解りやすく説明されていると思います。

　「暗記しないで化学入門
　　　　電子を見れば化学はわかる」
　　　平山令明　著，B1296，2000 年，980 円

　「高校化学とっておき勉強法
　　　　「なぜそうなるのか？」がわかる本」
　　　大川貴史　著，B1356，2002 年，1060 円

参考URL：

http://www.ed.kanazawa-u.ac.jp/~kashida/, http://www.geocities.com/yoshihitoshigihara/elec1.htm

お礼

回答ありがとうございます。

参考URLはとっても良かったです。
他にもいろいろと面白そうなページがあり、かなり参考になりました。
紹介してくださった本も、興味をそそられる題名なので、ぜひ読んでみようと思います。
特に二冊目が面白そうです。　近所に本屋があったなら、すぐ見に行ったのですが…

Ｎｏ３の方へのお礼でも書きましたが、実は化学の勉強は始めたばかりなのです。
なので皆さんから頂いた回答を見たとき、自分にとっては内容がとても高度で理解できるかどうか心配でした。
今は、１)については一応、理解できました。
（s軌道やp軌道という物があると知って驚きましたっ！！　規則も初めて聞きました。）

３)も大体ですが理解しました。
　rei00さんの説明はわかり易かったです！

２)の『性質』については先生に、どのような意味での『性質』か聞いてみます。
分かり次第、改めて質問させて頂かせてもらうつもりです。

とてもわかり易い説明ありがとうございました。
すごく解りやすかったですよっ！　
どうも回答ありがとうございました！

回答No.3

ririnnnohitori

＃２です、下の解説でわからなかったら、必殺わざとして、その方が安定だからという風に考えてください。ちなみに、ｓ軌道は一つですが、ｐ軌道はｐｘ、ｐｙ、ｐｚの３つに、ｄ軌道は、ｄｚ＾２、ｄｘ＾２-ｙ＾２、ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘの５つに、ｆ軌道は、ｆ５ｚ＾３-３ｚｒ＾３、ｆｚｘ＾２-ｚｙ＾２、ｆｙ＾３-３ｙｘ＾２、ｆｘ＾３-３ｘｙ＾２、ｆ５ｘｚ＾２-ｘｒ＾２、ｆ５ｙｚ＾２-ｙｒ＾２、ｆｘｙｚの７つに分けられ、それぞれの軌道に２つづつ電子が入っていきます。法則として、細かく分けた軌道内に一つづつ入ってから、二つ目が入っていきます。

またこんがらかるかもしれないけど、ちょうどいい機会なのでもう一つ。

ｄ軌道や、ｆ軌道は、完全に満たされるか、半分だけ電子に満たされたりした状態の方が、安定です。もう一個入れば、満タンや半分になりそうというときは、１つ先の軌道（多分１つ上のｓ軌道が犠牲になると思いますけど）から電子を１つかっぱらったりして、ｄや、ｆ軌道に入れたりします。だから、あそこらへん(3族から、１２族の元素）は、最外殻の電子が１つになったり、２つになったりしてるんですね。

これを見てもよくわからないというときは、無機化学の本を読めばＯＫです。

ちなみに、大学では、こういうことを勉強します。

また、エネルギー準位のところは、本当はちょっと違うけど（本当は、同じ殻内のエネルギー準位はフラットなんだけど、ちょっとした事情があって、ああいう風に差が出てきます。無機の教科書を読めば、そこら辺の説明もしてくれるし、私の説明よりもわかりやすいので、頑張って見つけて読んでみてください。化学が、これを機に大好きになってくれればうれしいです。逆にいやにならないことを望みます。ネットで調べたかったら、「陥入」と、「遮蔽」で調べてくれたら引っかかってくれるかもしれません。）、結果論としてこれだから（というか、なぜこうなるのかという説明が面倒くさい）ので、ああいう風にしました。本当に興味があったら、無機化学の本を一度読まれることをお勧めします。わからなかったら、ここに質問して下さい。たまに、誰も答えてくれないことがあるけど、誰かが説明してくれるので。（高校化学は完璧ですよね？）

お礼

回答ありがとうございます。
２回も回答して頂いたのに、お礼が遅くなってしまいごめんなさい。

実は化学は勉強し始めたばかりなんです。
なので初めてs軌道というものがあることを知りました。
とても複雑、というかややこしいです。化学を勉強し始めたばかりで、理解しようとすることが無謀でした…。
まずは教科書の内容を完璧にするよう頑張ります。

無謀、と自分で書いておきながら、学校の図書室で無機化学の本を見つけ迷わず借りてきてしまいました。
家に帰って、本の内容を見て頭がクラクラしましたけど。
あ、でも私は化学は好きですよ！
今回質問して余計に(笑)
どうもありがとうございました！

回答No.2

ririnnnohitori

１）、２）のついては、大きい本屋さんに行って無機化学と書かれた本の第１章にかかれていると思います。

１）について、電子軌道は、もっと分けると、Ｋ殻は１ｓ軌道に２個、Ｌ殻は２ｓ軌道に２個、２ｐ軌道に６。Ｍ殻は３ｓ軌道に２個、３ｐ軌道に６個、３ｄ軌道に１０個、Ｎ殻には４ｓ軌道に２個、４ｐ軌道に６個、４ｄ軌道に１０個、４ｆ軌道に１４個電子が入ります。

で、軌道には、エネルギー準位というものがあって、Ｃａまでは、１ｓから、３ｐまではこの順番に高くなって、４ｓと、３ｄの順番が逆になるんです。

で、エネルギー準位が低いところから電子は入っていくので、３ｄ軌道があるＭ殻ではなく、エネルギーが３ｄ軌道より低い４ｓ軌道があるＮ殻に入るんです。

わかりずらくて、ごめんなさい。私には、この説明が限界です。もっと詳しくなると、量子化学というものがあります。

回答No.1

chihiro-chihiro

3)について
2H2O+Ca→Ca(OH)2+H2
上記のように反応するからだと思います。

お礼

回答ありがとうございました。