すべての元素が単体になれる気がするのですが・・・

質問

化学の基礎のところで、物質には化合物と単体があって、とか話がありますが、単体がかなり疑問です。

というのも、単体の例として酸素O^2とか水素H^2とか窒素N^2とかが出てくるのですが、希ガスを除けば、すべて同じ元素同士で２個でくっつけば安定すると思うからです。

Oならあと二個電子があればオクテットなのでＯ同士で共有結合を作ればO^2、Hなら一個しか電子がないのでH同士で共有してH~2、Nならあと三個あればオクテットなのでN同士で共有してN~2です。

どの元素もこの方法で単体になれる気がするのですが、元素周期表を見ていると単体を見たことがない（たまたまよく知らないだけかもしれません）のが多いです。

希ガスを除いて、同じ元素同士でくっついて単体になれるのでしょうか。

回答No.6

windwald · ベストアンサー

#1です。さらに横やりですが
>・鉄（金属元素）はFeだけで他の元素と結合しないで単体になれる
>なので、Ga（ガリウム）もGaだけで単体で存在していると思います。
そりゃそうです。他の元素と結合した時点で単体ではありません。

ガリウムの単体がガリウムだけで存在しているのは当たり前です。
ガリウム以外の元素と結合した時点で単体ではありませんから。

金属は金属原子同士で結合して金属結合を形成します。
鉄の単体は鉄の原子同士で、ガリウムの単体はガリウムの原子同士で結合し、金属結合をしています。
金属結合でできた原子の塊は通常、分子と呼びません。

>・31個を順に埋めていくと、K殻に2個、L殻に8個、Ｍ殻に8個（周期表参照、なぜが18にならない）、Ｎ殻に13個（周期表参照、なぜか先にＮ殻が埋まっている）
違います。
K2,L8,M18,N3です。
電子配置を考えるとき、電子殻では不十分です。
電子軌道(副殻)で考えねばなりません。
K核には1s軌道、
L核には2s軌道、2p軌道(×3)
M核には3s軌道、3p軌道(×3)、3d軌道(×5)
N核には4s軌道、4p軌道(×3)、4d軌道(×5)、4f軌道
……
があり、それぞれの軌道に電子は2つずつ入ります。
エネルギー準位の低い軌道から順に電子が入り、その順は
原子によって多少のブレはありますが、1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-……です。
電子殻で言えばM核の8個目の後、M核の9個目よりもN核に2個だけ先行してはいることになります。
＃こんなことまでは高校では習いませんが、
「典型元素においては周期表の族番号の1の位と価電子の数が同じになる」ことは習います。
このことから自説が間違いであると気づいていただきたい者です。

>・GaのＮ殻をその周期の希ガスであるKr（クリプトン）（原子番号３６番）と同じにする（オクテットにする）には、電子を5つ加えればいい。
これ以下は間違った前提に基づいた推論ですので回答は略します。

お礼

ありがとうございます。もう一つ後のご回答がなかなか理解できないので、まず、このご回答に関して思ったことや考えたことを書きます。

・金属元素は金属結合という結合ができます。金属結合はクーロン力による原子同士の結合であり、分子になっているとは考えないそうです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%91%E5%B1%9E%E7%B5%90%E5%90%88

・ガリウムの電子配置は周期表ではＫ殻２個、Ｌ殻８個、Ｍ殻８個、Ｎ殻１３個と読み取れます。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%A8%E6%9C%9F%E8%A1%A8

しかし、よく見てみると、周期表の左側には「周期１」「周期２」という記載があり（私のテキスト）、Ｋ殻、Ｌ殻、Ｍ殻、Ｎ殻という記載ではないことに気づきました。これを私が勝手に「周期１」はＫ殻、「周期２」はＬ殻というふうに解釈していたんだと思います。

実際に、ガリウムの電子配置はＫ殻２個、Ｌ殻８個、Ｍ殻１８個、Ｎ殻３個となっています。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%83%AA%E3%82%A6%E3%83%A0

以下、図。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Electron_shell_031_Gallium.svg

・ご回答者様から、この違いについて、副殻で考える必要があるとご指摘がありました。

Ｋ殻を除き、Ｌ殻、Ｍ殻、Ｎ殻は複数の「軌道」というものが存在するとのことですね。

とにかく、今は三つのことを覚えます。

１．副殻にある「軌道」は電子が２個ずつ入る。

２．「エネルギー準位」が低いところから電子が埋まっていく。

３．原子によって各軌道の「エネルギー準位」が異なるため、埋まる順番の正確な予測には「エネルギー準位」のデータを必要とする。

・末尾のことについて、誤りがある可能性を大いに自覚しました。（理解が完全ではないので完全に否定もできません。意地になっているわけではなく、論理的に）

誤りである可能性が高いと考えた根拠：Gaに電子を５個加えたらGaの電子の総数はKrと同じ３６個になるが、副殻を考慮した場合、同じ電子配置にはならない可能性がある。

>・GaのＮ殻をその周期の希ガスであるKr（クリプトン）（原子番号３６番）と同じにする（オクテットにする）には、電子を5つ加えればいい。
これ以下は間違った前提に基づいた推論ですので回答は略します。

補足

ごめんなさい。もう一つ後のご回答を含めて、また大混乱の時期に入りました。回答者様はいろんなことを知っています。せっかく教えていただいているのに、それが理解できないなんて。

回答No.7

windwald

少しずつですが進んでいますね

>１．単原子で単体で存在できるものは限られる。
>根拠（事例）：希ガス、および金属元素は単原子で単体で存在している。希ガスは分子間力によって集まっているだけ。金属は金属結合によって集まっているだけ。どちらも分子ではない。
後半が違います。金属元素は単原子で単体にはなっていません。多数の原子が結合して金属結合しています。だから金属元素というのです。

>２．原子は単原子で存在するものと分子（単体、化合物）で存在するものがある。
>根拠（事例）：希ガス、金属は単原子で存在する。その他は二原子や複数原子による単体(H_2、S_8など）、または二種類以上の元素でできた化合物として存在する。
違います。
単体と化合物を合わせて分子と呼ぶ、と勘違いしています。
分子を作っていれば、単体か化合物かのどちらかですが、
分子ではないものも、単体か化合物かのどちらかです。

分子とは、原子が共有結合によって半永久的に不可分となった粒のこと、
イオン結合していたり、金属結合していたりする物質は定義上、分子を作りません。
もちろんイオン結合や金属結合によっても、単体や化合物ができます。

また、希ガスのような単原子気体でも単体です。

最初に述べた、「単体を勘違いしている」その内容がよく分かりました。
正しい定義を理解しましょう。
「単体とは1種類の元素でできた純物質である」

>３．周期表にある希ガスを除く非金属元素は、色々なものと分子になったり、化合してしまい、多様な可能性があり、共通の法則を探すのは大変だ。
あまり意味がない指摘に思います。

>４．しかしながら、周期表にある希ガスを除く非金属元素のみに目を向ければ、「H_2、O_2、N_2のように「元素名_2」という形の単体が存在する」という共通の法則はあるのではないか。（疑問点）
私の以前の回答が論点がずれていたことをお詫びします。
さて、ほかの回答者の方から、
「B2とかC2とかSi2は存在しない。(よっぽど特殊な条件下なら話は別)」
と言う意味の回答をいただいていますね。これで満足できましたでしょうか。

お礼

ありがとうございます。

ご回答者様のこの部分について、分子とは何かを正確に理解できてないと正しく理解できないと思って調べていました。

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>２．原子は単原子で存在するものと分子（単体、化合物）で存在するものがある。
>根拠（事例）：希ガス、金属は単原子で存在する。その他は二原子や複数原子による単体(H_2、S_8など）、または二種類以上の元素でできた化合物として存在する。
違います。
単体と化合物を合わせて分子と呼ぶ、と勘違いしています。
分子を作っていれば、単体か化合物かのどちらかですが、
分子ではないものも、単体か化合物かのどちらかです。

分子とは、原子が共有結合によって半永久的に不可分となった粒のこと、
イオン結合していたり、金属結合していたりする物質は定義上、分子を作りません。
もちろんイオン結合や金属結合によっても、単体や化合物ができます。
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中学生くらいでやったことでしょうか。「分子」とは一体なんなのか、だんだんと分からなくなってきていました。

wikipediaの定義によれば、「２つ以上の原子から構成される電荷的に中性な物質」とあります。この文章は末尾に引用文献もあり、信頼できる情報かと思われます。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%AD%90

論理学で考えますと、この定義ですと、電荷を持てばイオンであり「分子」という集合には属さないことがわかります。なにが分からなくなってきたのかというと、この定義の「構成される」という表現です。

「構成される」という表現を、これまでの質問と回答のやりとりから推測していきますと、

１．希ガスの集まり方は「構成されている」とは言わないと思います。ですから「分子」という集合には属しません。

※分子間力で集まっているため

２．金属原子の集まり方は「構成されている」とは言わないと思います。ですから「分子」という集合には属しません。

※金属結合という方法で結合して、金属原子の電子を自由電子にして集まっているため（その集まり方が金属の展性などの性質を出している）

３．ご回答者さまのご回答を引用すれば、イオン結合をしているものは「構成されている」とは言わないといえると思います。

私のこれまでの理解ではイオン結合をしているもの、例えば、NaClも分子だと思っていました。分子の理解でさえ、これだけ難しいのですね。

このように理解を改めて、ようやく

・分子を作っていれば、単体か化合物かのどちらかである
・分子ではないものも、単体か化合物かのどちらかである

に取り組めるようになりました。

今回の私の質問でした、以下のものについては「そんな法則はない」ということに納得しました。浅はかな推論だったと思います。

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>４．しかしながら、周期表にある希ガスを除く非金属元素のみに目を向ければ、「H_2、O_2、N_2のように「元素名_2」という形の単体が存在する」という共通の法則はあるのではないか。（疑問点）
私の以前の回答が論点がずれていたことをお詫びします。
さて、ほかの回答者の方から、
「B2とかC2とかSi2は存在しない。(よっぽど特殊な条件下なら話は別)」
と言う意味の回答をいただいていますね。これで満足できましたでしょうか。
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回答No.5

Tacosan

まじめなはなし, ほとんどの元素で「適当な条件をそろえれば 2原子分子を作る」とはいえると思いますよ.

意味があるかどうかは別として.

あと Ga はいろいろとアレな金属だったりするのでわざと例に挙げてみた. 調べてみるとおもしろいかもしれん.

でも, B2 で「オクテット」ってどうすればできるんだ?

お礼

ありがとうございます。

「適当な条件をそろえれば（特殊な条件）２原子分子を作る」とはいえるとのことですね。しかしながら、皆様がおっしゃているように、そんなに特殊なことをして２原子分子を作ることに意味は無いようです・・・。

オクテットを考える際にも、電子殻が埋まっていく順序でＫ殻、Ｌ殻、Ｍ殻、Ｎ殻と考えていっても、さらに深い電子の軌道（？）があるようで、私が考えていたようにシンプルにはいかないな、と思っているところです。

B_2で「オクテット」の状態を作るには最外殻電子が３個だから、その周期の希ガスであるNeの最外殻電子数の１０個にするために７個電子を増やすか、あるいは前の周期の希ガスであるHeの最外殻電子数２個にするために３個電子を減らすかですよね。

でも、最外殻電子を３個しか持っていないBとB同士が３個を共有結合しても最外殻電子数は１０個にはなりえないと思います。ご回答者様のご指摘のとおりで、不可能性（？）が高いです。

ところで、Gaは不思議な金属、アレな金属なのですか。

ご回答者様たちの化学的な知識の深さ、実力には驚かされます。どうやったら、そんなふうになれるのでしょう。化学のテキストなどで疑問が出てきても、その疑問はとりあえず置いておいて、まず最後までやっちゃう、暗記でもいいから一通りの理解をするのが第一ステップなのでしょうか。そして、残っている疑問は大学の化学で、のような。

回答No.4

windwald

#1です。
>１．単原子で単体で存在できるものは限られるのではないか。
その通り。希ガスのみ。

>１．(続き)原子は単原子で存在するより分子（単体、化合物）になるのが自然だ。
間違い。
金属は分子として存在しない。
共有結合の巨大結晶であるダイヤモンドなども分子と言えば分子だがちょっと話がちがう。

>２．だとすると、周期表にある元素は、それぞれ色々なものと分子になったり、化合してしまい、多様な可能性がある。
「だとすると」が不明瞭なので略。
1の内容を受けて考えても、前提が間違いなのでやはり略

>３．しかし、H_2、O_2、N_2のように「すべての元素で「元素名_2」という形の単体が存在する」という共通の法則はあるのではないか
O3やS8、P4といった単体を既にご存じのようですね。
よって3の説は間違いです。

お礼

ありがとうございます。

私の考えの道筋を追っていただいて、この部分は間違っている、だから、それ以降は前提が間違っているため間違っている、という論理的な回答で私は好きです。

筋道を修正してみます。

１．単原子で単体で存在できるものは限られる。

根拠（事例）：希ガス、および金属元素は単原子で単体で存在している。希ガスは分子間力によって集まっているだけ。金属は金属結合によって集まっているだけ。どちらも分子ではない。

２．原子は単原子で存在するものと分子（単体、化合物）で存在するものがある。

根拠（事例）：希ガス、金属は単原子で存在する。その他は二原子や複数原子による単体(H_2、S_8など）、または二種類以上の元素でできた化合物として存在する。

３．周期表にある希ガスを除く非金属元素は、色々なものと分子になったり、化合してしまい、多様な可能性があり、共通の法則を探すのは大変だ。

４．しかしながら、周期表にある希ガスを除く非金属元素のみに目を向ければ、「H_2、O_2、N_2のように「元素名_2」という形の単体が存在する」という共通の法則はあるのではないか。（疑問点）

ところで、O3やS8、P4といった単体が存在することが「４．」の仮説を否定するでしょうか。「元素名_2」のみが存在するという仮説ではないので（汗）

回答No.3

doc_somday

あなたは単体「分子」のことを単体と言いたいようですが、
二原子にこだわるのはなぜ？
硫黄ならＳ8が安定だし、一直線にどこまでもつながるのがお好きな元素もあります。
Ｃ2だって「超短時間」なら存在するけど、ダイアモンドやフラーレン、黒鉛の方が単体としては圧倒的に安定。
なぜ二原子にこだわるのか、こだわる理由を示すか、二原子で無いものは「単体」ではないという「証明」をして下さい。
「二原子分子以外は単体ではない」と定義しちゃってもいいけど、あなた以外の人は、へーえ、何か根拠があるのか、ただそれが好きな「変人」か、上記の様に「二原子分子」には他にない「メリットがある」と立証することが必要でしょうね。
それがないと、別にどうでもいい「バカ話」になります。

お礼

ありがとうございます。

ある本で、単体の例としてH_2、O_2、N_2があげられていました。

他にも単体の例として同素体があり、S_8（斜方イオウ、または単斜イオウ）、O_3（オゾン）,P_4（黄リン）があげられています。分子にならない単原子のS（イオウ）、C（ダイヤモンド）、P（赤リン）もあります。

その中で自分が二原子の単体にこだわるのは次のような考えが背景にあるからだと思います。

１．単原子で単体で存在できるものは限られるのではないか。価電子があまっていたり、足りなかったりして、きっと何かとくっつくだろう。だから原子は単原子で存在するより分子（単体、化合物）になるのが自然だ。

２．だとすると、周期表にある元素は、それぞれ色々なものと分子になったり、化合してしまい、多様な可能性がある。

３．しかし、H_2、O_2、N_2のように「すべての元素で「元素名_2」という形の単体が存在する」という共通の法則はあるのではないか

というものです。

回答No.2

Tacosan

「オクテット」にこだわる時点でアウトなんだが....

例えば Ga はどうする?

補足

問いをありがとうございます。

・周期表によれば金属元素である

・金属元素は金属結合する

・鉄（金属元素）はFeだけで他の元素と結合しないで単体になれる

なので、Ga（ガリウム）もGaだけで単体で存在していると思います。

＜オクテットで考えた場合＞

・Gaは原子番号が31なので電子が31個

・電子殻はK殻2*1^2=2　L殻2*2^2=8 M殻2*3^2=18 N殻2*4^2=32

・31個を順に埋めていくと、K殻に2個、L殻に8個、Ｍ殻に8個（周期表参照、なぜが18にならない）、Ｎ殻に13個（周期表参照、なぜか先にＮ殻が埋まっている）

・GaのＮ殻をその周期の希ガスであるKr（クリプトン）（原子番号３６番）と同じにする（オクテットにする）には、電子を5つ加えればいい。

なので、Gaが2つ寄ってきて、N殻にある5つの電子を共有結合する（一方のGaがもう一方に5つ電子をあげ、もう一方も5つ電子をあげる）。Ga_2ができる。

と考えましたが何か変です。図を描いて考えていました。原子を丸で描いて、その周りに最外殻の電子を配置させたものを二つ用意しました。そして電子を共有させてN核を１８個になるように考えたのですができませんでした。

Ｈでは簡単に共有結合させて最外殻を２にできるのですが。

回答No.1

windwald

下付の数字は H_2 とするか H2とするかで表します。
「^2」は非常に違和感のある記述。「^」はふつう上付きを表します。

さて、単体を勘違いしていませんか？
今知られている元素は、全てに単体が知られています。
超ウラン元素などで物性が分かるほど多量に取り出せていない元素は別ですが。

希ガスが希ガスで原子が結合せずに分子間力で集まって単体を作ります。
金属の単体では金属結晶内の全原子が結合しています。
お考えの理論は全く無意味で無関係です。

お礼

ありがとうございます！

H^2という記述は変だったのですね。紙に書くときはHの右下側に2を書きますものね。H_2というのが誤解がない記述なのですね。これからはそれを使います。

単体は他の元素とくっつかないで存在しているもの（化合物以外が単体）と理解しています。

H_2やO_2やN_2は単体の話でよく出てくると思います。あと、金属結合のFe,Cuなどです。希ガスもよく出てきます。

希ガスと金属元素は二つがくっついてHe_2とかFe_2は無いと理解しているので、それ以外の非金属元素が疑問でした。

同じ元素同士なら２個が共有結合すればオクテットになるじゃないか、という理論は間違っていますか・・・。

たとえば、非金属元素たち、

17族
F_2,Cl_2,I_2,At_2

16族
S_2,Se_2,Te_2

15族
P_2,As_2

14族
C_2,Si_2

13族
B_2

などがありそうに思うのです。