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メンデレーエフ生誕記念!周期表のすごさ!


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今日、2月8日はメンデレーエフの誕生日ですね!

Google検索もこれにあわせたロゴになっていました。

そこで今日はメンデレーエフの偉大なる発見

周期表についてのエントリーにしたいと思います。

 

目次

 

メンデレーエフ生誕記念!周期表のすごさ!

序論

皆さんも高校や中学の授業で周期表に触れたと思います。

ベンゼン環の次に化学が苦手な人が見たくないものだと思います笑

水兵リーベ僕の船、七曲がりシップスクラークか、スコッチ暴露マン、徹子にどう会えんが~と続くあの周期表です(地域差あり)。

周期表ってそもそもなんなの?

周期表、もとい原子の周期性についてメンデレーエフ

「The Dependence Between the Properties of the Atomic Weights of the Elements」

という発表をしています。内容は以下の通りです。

以下、wikipediaからの引用

  1. 元素は原子量の順に並べると明らかにその性質ごとの周期性を表す。
  2. 科学的特性の類似する元素はほぼ同じ原子量であるか(例:白金、イリジウムオスミウム)、原子量が規則的に増加するか(例:カリウムルビジウムセシウム)である。
  3. 元素グループ内での原子量順に並べた元素の配列はいわゆる原子価だけでなく、ある範囲まで、独特の化学的特性と一致する。
  4. 広範囲に存在している元素の原子量は小さい。
  5. 分子の大きさが化合物の性質を決定するように、原子量の大きさが元素の性質を決定する。
  6. 未知の元素の発見が期待される。たとえば、共に原子量が65から75の間であり、化学的特性がアルミニウムに類似する元素およびケイ素に類似する元素が存在するであろう(後年、該当するガリウムゲルマニウムが発見される)。
  7. 元素の原子量は原子番号順で前後する元素の原子量に関する知識により修正できることがある。たとえば、テルルの原子量は123から126の間にあり、128にはなりえない。
  8. 元素の特徴的な特性はその原子量から予言できる。

以上、wikipediaからの引用

正直、よくわかんないですよね笑

簡単に説明すると

原子はそれぞれ固有の値である原子量*1というものを持っています。

それにしたがって並べると元素は周期性を持つということです。

しかもその原子量の近いもの、ないし原子量の増加が規則的なものは特性が似るように出来ています。

規則的なものは族になります。科学の世界では14族を窒素族、16族を酸素族、17族をハロゲン族と呼んだりします。

特性が似ているのはある範囲までなんですけどね。

また、未知の元素の存在を予言したというのも大きな点ですね。

実際にこの予言が実際にあたったことによってメンデレーエフは認められていくことになります。

このように上の決まりの通りに元素を並べると面白いくらいはまっていくんです。

これが偏に周期表のすごさですね。

ちなみに希ガスは後から18族として追加されました。

電子の概念

さて、メンデレーエフは原子の重さ、原子量で周期表の位置を指定しました。

しかしながら本来、元素の特徴を決めるのは電子です。

そもそも原子は陽子と中性子から構成される原子核と電子から構成されます。

その電子はK、L、M、N・・・殻と呼ばれる電子殻に格納されます。

それぞれ電子が2、8、18、32・・・と格納されていきます。

それにs、p、d、f軌道という電子が収まる電子軌道と言うものもありますが高校化学レベルで考えるため省略することにします。

遷移元素*2を考えると大変なので典型元素*3だけ考えると最外殻電子つまり電子が存在する原子核から最も遠い電子殻にいくつ電子が収まっているかによって特性が変わるのです。

これを価電子といいます。

1、2族はセオリー通りそれぞれ1こ、2こ、13族からは一の桁の数で3こ・・・17族は7こ

さてここで問題は18族です。ここではネオンNeについて考えて見ましょう。

ネオンはK殻に2個、L殻に8個でL殻が最外殻に見えます。

しかし逆に考えればM殻に0個と考えることも出来ますよね。

このパターンは正直めんどくさいですよね。

そのためこの場合を「閉殻」と呼び、これこそが元素の特徴となるのです。

そもそも電子殻がいっぱいになることも「閉殻」といいます。

閉殻するとその電子殻に含まれる電子は非常に安定します。

そのため18族の原子は安定しており、希ガスとよばれる反応性に乏しい元素となるのです。

水素問題

さて、周期表では原子量にしたがって元素が位置しています。

水素は1.008の原子量をもっていて全元素中最も低い原子量であります。

しかしながら水素の下に位置するリチウム以下はアルカリ金属に所属しています。

この違いは水素がK殻に1個だけ元素を持つことが関係しています。

K殻は原子が2個だけ入ります。

そのためこの1個の電子は出て行くこともそのままいることも出来ます。

リチウム以下のアルカリ金属元素はそんなことはないのです。

その為差が生じてしまっています。

実際にハロゲン族のところに表記した周期表もあるそうです。

まとめ

周期表から化学にがっつり踏み込むことが出来ましたね!

これでもかなり省略して書いたので

また別の機会に省略してしまったところについての説明をしたいと思っています。

 

*1:原子が6.02*10^23集まったときの質量で単位はmol^-1

*2:3~12族

*3:1,2、13~18族

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