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基礎化学 1 プリント 1 電子顕微鏡写真

PbFeO2F の電子顕微鏡写真

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基礎化学 1 プリント 3 遮蔽と貫入

遮蔽と有効核電荷 電子と原子核の間にはクーロン力が働いている（図

４）。では内側の軌道にある電子と外側の軌道にある電

子では同じようにクーロン力が働いているのか？Li 原

子の場合を例に考えてみよう。Li は 3 個の電子を持っ

ており、1s 軌道に 2 個、2s 軌道に 1 個の電子を持っ

ている。2s 軌道の電子が感じる原子核の正の電荷は、

内側の 1s 電子に打ち消されているので+3 より小さく

なっているはずである（図 5）。

このように電子によって原子核の電荷が打ち消され

る効果を遮蔽といい、外側の電子が感じる、遮蔽によ

って実際の核電荷より減少した核電荷を有効核電荷

という。Li の場合 2s 電子が感じる有効核電荷は+1.28

である。表 1 に計算で求められた幾つかの元素有効核

電荷を示す。

図 5 クーロン力の模式図

図 6 Li 原子の模式図

図 7 有効核電荷の考え方

原子核

+

電子

- +と-の間で引きつけ合う

力が働いている。

𝑭𝑭 =𝒛𝒛𝟏𝟏𝒛𝒛𝟐𝟐𝒆𝒆𝟐𝟐

𝟒𝟒𝝅𝝅𝜺𝜺𝟎𝟎𝒓𝒓𝟐𝟐

表１ 有効核電荷の表

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-貫入-

電子雲の図は最も電子密度が高いところを線で描いてい

る。1s 軌道の場合、原子核から 0.1nm あたりで電子密度が

最大で、形が球状なので、このように描かれている。

では 2s 軌道ではどうだろうか？下の図２を見ると 2s 軌

道は 2 重になっており、1s 軌道の内側に電子密度の高いと

ころがあるのがわかるだろうか。これは 1s 軌道の外側にあ

る 2s 軌道の電子が、1s 軌道を通り越し、1s 軌道の内側に

まで入ってきていることを示している。これを貫入という。 貫入は s 軌道以外にも見られ、p 軌道の場合、外側にある

3p 軌道が 2p 軌道の内側に入り込んでいる。（図３）

注 2s 軌道の電子密度分布が最大の部分は 1s 軌道の外側にある。

たとえ電子が貫入していたとしても、主量子数が大きい軌道の方が外側にあることにはかわりはない。

図 2 1s、2s 軌道の密度分布

図 3 p 軌道の電子密度

図 1 1s 軌道の電子雲

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-電子軌道のエネルギー準位-

ここで電子が軌道を埋める順番を思い出してみよう。“基本的には”クーロン力によって原子核に近い

軌道、すなわち主量子数の小さい軌道の方がエネルギー的に安定であるので、主量子数の小さい軌道か

ら順に電子が詰まっていく。しかし、電子には遮蔽と貫入の効果が働いている。例えば 4s 軌道は内側の

軌道の中にまで貫入しているので、遮蔽の効果を受けにくく安定になる。一方、3d 軌道は貫入していな

いので、内側の軌道による遮蔽の効果を強く受け、比較的不安定となる。その結果、軌道のエネルギー

順位が入れ替わるのである。しかし、この貫入と遮蔽の効果はきわめて微妙で 3d 軌道に電子が入ると、

d 軌道による遮蔽の 4s 軌道が不安定となり、エネルギー順位は再度入れ替わる。

図 4 エネルギー準位の入れ替わり

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基礎化学 1 プリント 4 化学結合

図 3 金属結晶とイオン結晶の違い

図４ O2分子の分子軌道 図５ C2分子の分子軌道 図６ Li2～F2分子の分子軌道

σ結合 π結合

図 1 σ結合とπ結合

図 2 ケテラーの三角形

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図 7 極性分子と双極子モーメント

図 8 水素結合の模式図

図 9 ファンデアワールス力

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基礎化学 1 プリント 5 固体の構造

問 1 次の A~E のうち単位格子として正しいのはどれか

4 つの空間格子と 7 つの結晶系

A

B

C

D E

単純格子 (P) 体心格子 (I) 面心格子 (F) 底心格子 (C)

primitive lattice body-centered lattice face-centered lattice base-centered lattice

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7 つの結晶系と１４のフラベー格子

結晶系 格子定数の関係 空間格子

立方晶系 cubic system a=b=c α=β=γ=90º P, I, F

正方晶系 tetragonal system a=b≠c α=β=γ=90º P, I

斜方晶系 orthorhombic system a≠b≠c α=β=γ=90º P, I, F, C

六方晶系 hexagonal system a=b≠c α=β=90º, γ=120º P

三方晶系 trigonal system a=b≠c α=β=90º, γ=120º P

（菱面体晶系） rhombohedral system a=b=c α=β=γ≠90º

単斜晶系 monoclinic system a≠b≠c α=γ=90º, β≠90º P, C

三斜晶系 triclinic system a≠b≠c α≠β≠γ≠90º P

問 2 次の結晶の結晶系と空間格子を答えなさい

結晶系 斜方晶 空間格子 面心 配位数 結晶系 空間格子 配位数

結晶系 空間格子 配位数 結晶系 空間格子 配位数

NaCl 型構造 a=b=c α=β=γ=90º

ダイヤモンド型構造 a=b=c α=β=γ=90º

CsCl 型構造 a=b≠c α=β=γ=90º

a≠b≠c α=β=γ=90º