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前見返し 元素の周期表

 

◆元素の周期表

 周期表は,原子番号の順に元素を並べ,その性質に基づいて原子を配列した表で

ある。

(1)  周期表の縦の列を族とよび,族には118族の18種類がある。

(2) 典型元素と遷移元素 赤線で囲んだ311族の元素を遷移元素といい,そ

 れ以外の元素を典型元素という。1972年以前には,12族元素も遷移元素に含め

 ていたが,遷移元素の定義が「不完全に満たされたd軌道をもつ元素,またはそ

 のようなd軌道をもつ陽イオンを生ずる元素」と改められ,現在のような分け方

 となった。

(3) 金属元素と非金属元素 金属元素は,単体が

 いわゆる金属の性質を示す元素であるが,一般には単体が半導体であるゲルマニ

 ウムも含めて金属元素とよんでいる。

  元素の大部分が金属元素で,非金属元素は22種類にすぎない。遷移元素はす

 べて金属元素で,21Scを除いてすべて重金属である。

(4) 天然元素,人工元素,放射性元素 ここに示した元素のうち,43Tc61Pm

 93Np109Mt19種は,天然に存在せず人工的に合成されている人工元素である。

 これらの元素には安定同位体が存在せず,放射性元素である。

  天然に存在する放射性元素には,84Po92U9種がある。したがって,安定

 同位体が存在する天然元素は,81種類となる。

(5) 周期と電子配置 周期表上の原子配置は,原子の電子配置と深い関係がある。

 原子の最外殻を示す主量子数の数字は,各周期を示す数字と一致し,そのsp

 軌道を満たす過程が1つの周期を形成する。第45周期では,その過程でより

 内側の電子殻のd軌道に電子が入り,第67周期ではより内側のdf軌道に

 電子が入っていくので,これらが遷移元素となり,周期中の元素数が増加する

(d軌道には10個,f軌道には14個の電子が収容できるので,各周期の元素数

 は,第4周期が第3周期より10個多く,第6周期が第5周期より14個多い)

(6) 4桁の原子量表 1983年に,国際純正および応用化学連合原子委員会が教

 育上の効果を考え有効数字4桁の原子量表を発表した。その値は,詳しい原子量

 の5桁目を四捨五入したものと同じである。

  放射性元素で一定の同位体組成をもたないものについては,代表的な同位体の

 質量数を括弧内に示した。

  なお,原子番号110番以降の元素についてその化学的性質が明らかではなく,

従って周期表上の位置は暫定的なものである。

 名が決定されていないが,元素の組織名とその代表的な質量数が次のように一般

 の周期表では示されている。

  110番;ダームスタチウムDs269

  111番;ウンウンウニウムUuu272

  112番;ウンウンビウム Uub277

  114番;ウンウンクワジウムUuq289

  116番;ウンウンヘキシウムUuh292

(7) 周期表の新しい族番号 19868月に開催されたIUPAC無機化学命名法

 委員会で,周期表の族番号を改訂した。新表示法では,左端のアルカリ金属の1

 族から右端の希ガスの18族まで,合計18の族に元素を分類する。

  新族番号は,日本化学会化合物命名法小委員会の審議を終えて日本でも採用さ

 れ,1994年から新表示法に全面的に切り替えられた。

 

周期律

 原子番号の順に元素を配列すると,周期的に性質の似た元素が現れるという内容

の法則。原子番号と原子の電子配置との関係が明らかでなかった時代に,原子量

の小さいものから順に元素を並べることにより発見された。原子番号の順と原子量

の順とが入れ替わっているのは,放射性元素を除いて3か所(18Ar39.94819K

39.098327Co58.933228Ni58.6952Te127.6053I126.9045)である。

これは後に,若い原子番号の元素に質量数の大きい同位体が多く含まれるためと説

明され,矛盾は解決した。そして,1914年に発見されたモーズリーの法則により,

原子番号の正確な意味がわかり,周期律は原子番号の順序で考えるべきであること

が明らかにされた。
 周期律を示す事柄はいろいろある。マイヤーは融点や原子体積などの周期性を
1869
年に見いだした。また,メンデレーエフは原子価,化合物の形式などの周
期性を見いだした。その他,イオン化エネルギーや,典型元素の単体の融点など

もその例である。


元素の性質の周期性

  周期性の例として,融点・沸点〔°C〕,原子半径〔〕,電気陰性度,固体の

密度〔g/cm3〕のグラフを示す。

 融点・沸点を見ると,各周期において典型元素では14族付近に極大があり,18
族で極小になることがわかる。これは,各周期の単体の結合方式を反映しており,
周期の初めに金属,中間に共有結合性物質,終わりに分子性物質がくるためである。
遷移元素の融点・沸点は比較的高い。
 原子半径のグラフは,希ガスはファンデルワールス半径,非金属は共有結合半径,
金属は金属結合半径で示した。各周期では,アルカリ金属が極大となり,しだいに
減少する形となっており,周期が進むにつれて大きくなっていくことがよく理解で
きるグラフである。各周期の遷移元素では,ほぼ似た値を示し,隣り合う元素の性
質が似ていることが,よく理解できる。
 電気陰性度は,ポーリングによるデータを示した。各周期では原子番号とともに
しだいに増加し,ハロゲンで極大となる関係がよく理解できる。
 固体の密度は,融点・沸点とよく似たグラフとなり,その周期性の要因が結合の
種類によることを示している。

メンデレーエフの周期律の長所

  メンデレーエフの周期律は,ある形式の表をまとめたというだけでなく,表をつ

くる基本的な考え方において,彼の名を輝かしいものとした。その理由に,次の2

点がある。
(1)
 不正確な原子量を,表中の元素の縦・横の関係から訂正した。1863年に発見
 されたインジウムInは,当量が37.8とわかっていた。ところが,原子価が2
 と考えられていたために,原子量は37.8×275.6とされていた。彼は,周期表
 上の1価・2価の原子価の位置が,どこも既知元素で占められていることや,密
 度・融点・酸化物の性質などからIn3価ではないかと考え,37.8×3113.4
 を原子量とした。そうすると,ちょうどCdSnの間の空欄にあてはまった。

メンデレーエフの予測した元素と実際の元素との性質の比較

性質

エカアルミニウム

ガリウムGa

 

性質

エカボロン

スカンジウムSc

原子量

68

69.9

 

原子量

44

43.97

比 重

5.5

5.94

 

比 重

3.0

2.5

融 点

低い

30°C

 

硫酸塩

Sc2(SO4)3

水に不溶

Sc2O3

水に不溶

空気中

の変化

変化しない

酸化されにくい

 

酸化物

Sc2O3

Sc2O3

水との

変化

赤熱すると水

を分解

高温で水を分解

 

 

比重3.5

比重3.864

 

 

 

 

塩化物

弱塩基性

弱塩基性

化合物

一種のミョウ

バンをつくる

NH4Ga(SO4)212H2O

 

 

ScCl3

ScCl3

酸化物

Ga2O3

Ga2O3

 

 

昇華性固体

800°Cで昇華

塩化物

GaCl3

GaCl3

 

 

水に溶けて

分解

水に溶けて加

水分解

 同様の考察から,Ce92138に,U120240というように,数種の元素
 の原子量を訂正した。
(2)
 当時,未発見の元素の性質を,周期表の縦・横の元素の関係から予測し,新元
 素発見の手がかりをつくった。前ページの表は,エカアルミニウム(後に発見さ
 れガリウムと命名)とエカボロン(後に発見されスカンジウムと命名)についての,
 彼の予測と実際のものの性質の対比である。

メンデレーエフ

  18341907年。シベリアのトボルスクの中学校長を父として,14人兄弟の末子に生まれ

た。幼くして父を失い,生活の苦労を味わいながら成長した。科学は,シベリアへ追放中の

政治犯から初めて教わった。母はメンデレーエフの素質を見ぬき,彼に最高の教育を受けさ

せるため,首都のペテルスブルグに引越した。しかし,大学の学区制のため,シベリアで教

育を受けた彼は,ペテルスブルグ大学に入学することはできなかった。

 母の努力により,結局彼は教育大学に入ったが,まもなく肺結核にかかった。

幾度も医者に見放される状態であったが,入院や転地療法によりしだいに健康をと

り戻すことができた。
 その間も彼は熱心に勉強を続け,25才のときにはあこがれのヨーロッパ留学が
認められた。フランスとドイツで2年間をすごしたのち,かつて入学を許されなか
ったペテルスブルグ大学で化学を教えることになった。
 講義用教科書を書きはじめた彼は,大きな問題にぶつかった。当時,60種ほど
の元素が知られていたが,それらを体系的に取り扱う理論が欠けていたのである。
原子量が1つの鍵になると思われた。ベルセリウスらの努力により,原子量はかな
り正確に決められていた。彼は,元素を原子量の順に並べてみた。ほかにもこのよ
うな試みをした化学者はいたが,彼の考えは一歩進んでいた。原子量の小さい元素
から順に左から右へ配置し,しかも原子価の同じ元素が上下に並ぶように,何段に
も重ねて並べた。こうして化学のバイブルといわれる「周期表」の最初の形ができ
た。彼はこの周期表を,1869年に口頭で,1871年に化学学術雑誌Liebig’s
Annalen
に掲載した。
 周期表をつくってみて,表にいくつかの空席ができることに彼は気づいた。この
空席には未発見の元素が入ると考えて,彼は1875年,未発見元素の性質を予言し
た。1875年,ボアボードランにより発見されたガリウム,1879年,ニルソンによ
るスカンジウム,そして1886年,ウインクラーによるゲルマニウムは,その性質
が彼の予言とほぼ同じであった。ここに,彼の名声は不動のものとなり,古代から
の「元素とは何か」という大問題の解決に,周期表は大きな役割を果たすことにな
った。
 彼の実験上の主な功績に溶液の化学,液体−蒸気系の研究,石油の性質と成因の
研究がある。彼は,政治的出版物に自由主義的見解を述べたため,王立学士院会員
に選ばれなかった。1893年以後はロシアの度量衡標準局長になり,そこで研究を
続けた。


族の名称

 元素の族名は,一般にはその族の原子番号最小の元素名で呼ぶ。たとえば,3

はスカンジウム族,13族はホウ素族となる。ただし,1族は水素が特別扱いなので

リチウム族となる。その他,特別の名称をもつ同族元素もあり,1(Hを除く)はア

ルカリ金属,2族のCaRaはアルカリ土類金属,17族はハロゲン,18族は希ガス

(不活性気体)とよばれる。3族では,第6周期のLaLuをランタノイド,第7周期

AcLrをアクチノイドとよぶ。また,3族全体,あるいは,これからアクチノイ

ドを除いて希土類とよぶこともある。

典型元素

 典型元素とは,遷移元素に対してつけられた名称で,一般に周期律に従って,典型

的に周期性を示す元素である。典型元素では,最外殻の電子数が族番号の1桁目と一

致しており,価電子を除いた内側の電子殻は,s2p6の希ガスの電子配置か,s2p6d10

電子配置をとる。たとえば,第3周期元素では,ネオンの電子配置(1s22s22p6)の外側

の電子殻(3s3p)に電子が順次入っていく。

 典型元素に属する金属元素では,化合物は一般に無色のものが多く,単体は融点が

低く,あまり硬くない。これらは,遷移元素とのきわだった相違点である。非金属元

素は,すべて典型元素に属する。

遷移元素

  遷移元素は,もとは810族の元素をさしていて,7族から11族へ移る過渡的な

元素という意味であった。しかし,現在では,「不完全に電子が満たされたd軌道を

もつ元素,またはそのような陽イオンを生じる元素」と定義され,周期表の311

の元素をさすようになった。
 遷移元素の電子配置の特徴は,原子番号の増加とともに,それまで空席のまま残
されていた内殻のd軌道またはf軌道に電子が順次入っていくことである。
 このように電子の充てんの順序が逆になるのは,電子軌道のエネルギーの高低と関
係がある。たとえば,21Scから29Cuまでの元素の電子配置については,K殻・L殻を除
いて下表のようになる。このような電子配置になる理由は,左下の図からわかるように,
3d
軌道のほうが4s軌道よりエネルギーが高いからである。すなわち,低エネルギーの軌
道から電子が順に満たされる原則に従い,まず4s軌道,次に3d軌道に電子が満たされ
ていく。
 なお,電子軌道のエネルギー準位は,実際には図のように固定したものではなく,原

子番号の増加につれて電子軌道のエネルギー変化の図のように変化する。

12族の30Zn 48Cd80Hgは,厳密には遷移元素ではないが,電子配置や化学的性質が

遷移元素に似ており,従来は遷移元素に含めて扱ってきた。

4周期遷移元素の電子配置

原子
番号  

元素  

M 殻

N 殻

3s

3p

3d

4s

4p

21

Sc

2

6

1

2

 

22

Ti

2

6

2

2

 

23

V

2

6

3

2

 

24

Cr

2

6

5

1

 

25

Mn

2

6

5

2

 

26

Fe

2

6

6

2

 

27

Co

2

6

7

2

 

28

Ni

2

6

8

2

 

29

Cu

2

6

10

1

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

電子軌道のエネルギー準位

     電子軌道のエネルギー変化


遷移元素の化学的性質と電子配置の関係

  周期表の同族元素の化学的性質が類似しているのは,最外殻電子の配置が類似し

ていることによる。遷移元素では,最外殻の電子配置は,同族すなわち縦のグルー

プよりも隣り合う横の元素とよく類似しているので,その化学的性質の類似性は,

隣り合う同周期元素のほうが大きい。
 
金属元素と非金属元素

 周期表で,ホウ素とアスタチンを結ぶ線の,左側が金属元素,右側が非金属元素

である。ただし,Hも非金属元素である(教科書表見返し参照)
 金属元素は一般に陽性で,共有結合をしにくく,非金属元素とイオン結合性の化
合物や塩をつくりやすい。金属元素の酸化物や水酸化物は塩基性を示し,酸と反応
しやすい。単体は金属の性質を示す。一方,非金属元素は,単体が室温で気体のも
のが多く,化学結合をしにくい希ガスを除いて,一般に陰性で,非金属どうしで共
有結合して分子性化合物をつくりやすい。非金属元素の酸化物や水酸化物は酸性を
示し,塩基と反応しやすい。

単体の状態

単体の状態は,その結合の種類に関係しており,室温で気体のものは,すべて分

子性物質である。高融点・高沸点の単体は,共有結合性物質や価電子の多い金属で

ある。各単体を,融点・沸点の低いものから並べると,次のようになる。
 室温で気体(沸点の順)2He1H210Ne7N29F218Ar8O236Kr8O3
                      <54Xe17Cl286Rn(11元素)
 室温で液体(融点の順)80Hg35Br2(2元素)
 室温で固体(融点の順)87Fr55Cs31Ga37Rb15P419K11Na(100°C)
          <16S853I234Se49In3Li(200°C)<・・・・・・・・・・
               <(3000°C)76Os75Re74W6C(3600°C)

同周期元素の単体の状態と反応性

  周期表の左の金属元素は,金属結合による単体を,右側の非金属元素は,共有結

合による分子性の単体をつくる。両者の境界付近の元素では,共有結合により巨大

分子をつくる。このような化学結合の違いにより,融点・沸点は,金属元素が比較

的高く,非金属元素が比較的低く,両者の境界で非常に高くなる。したがって,同

周期元素の融点・沸点は,原子番号が大きくなるとしだいに高くなるが,途中から

また低くなっていく。
 単体の反応性は,金属性が強いほど,また非金属性が強いほど大きい。両者の中
間の単体は反応性が低く,18族の希ガスはほとんど反応しない。したがって,第
3
周期でいえば,NaCl2が最も激しく反応する。たとえば水との反応は,Na
室温で,Mgは熱水で,Alは高温水蒸気で,Cl2は室温で反応するが,SiPS
通常反応しない。次の表は,第2周期・第3周期の元素の単体の性質を示したもの
である。


2周期元素の単体の性質

単体の化学式

融点〔°C

沸点〔°C

比重

(固体)

結晶

種類

電気

伝導

 

反応性

その他の特徴

Li

180.49

1340

0.534

金属

200°C℃で燃焼,水と反応

軽い,比熱大

Be

1278

2970

1.848

金属

空温で酸化膜,両性元素

有毒

B

2079

2550

2.37

共有

300°Cで酸化,少し両性

硬度9.3,半導体

C(黒鉛)

2.27

共有

500°Cで酸化

硬度12

C(ダイヤモンド)

3550

4800

3.51

共有

700°Cで酸化

硬度10

N2

-209.86

-195.8

1.026

分子

安定

 

02(酸素)

 -218.4

-182.96

1.43

分子

多くの気体と反応

 

03(オゾン)

-193

-111.3

1.6

分子

02に分解,酸化力大

特異臭,有毒

F2

-219.62

-188.14

1.530

分子

酸化力特大,反応性大

特異臭,有毒

Ne

-248.67

-246.048

1.2

分子

ほとんど反応しない

 

 

3周期元素の単体の性質

単体の化学式

融点〔°C

沸点〔°C

比重

(固体)

結晶

種類

電気

伝導

 

反応性

その他の特徴

Na

97.75

881.4

0.971

金属

空気酸化,水で発火

 

Mg

648.8

1090

1.788

金属

室温で酸化膜,熱水と反応

 

Al

660.4

2470

2.6989

金属

室温で酸化膜,両性元素

 

Si

1410

2355

2.33

共有

SiF4,塩基と反応

半導体

P4(黄リン)

44.1

280.5

1.82

分子

りん光,160°Cで発火

有毒

P(赤リン)

2.2

共有

260℃で発火

 

S8(斜方)

112.8

444.674

2.07

分子

高温で燃焼

 

S8(単斜)

119.0

444.674

1.957

分子

高温で燃焼

 

Cl2

-100.98

-34.6

2.13

分子

反応性大,酸化力大

刺激臭,有毒

Ar

-189.2

-185.7

1.65

分子

ほとんど反応しない

空気に1

 

 

 

 








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