化学原子・元素理科

「閉殻構造」って何?「電子軌道」と「量子力学」がキーワード?理系ライターがわかりやすく解説

今回のテーマは「閉殻構造」。

閉殻構造というとただ単に一番外側の原子殻が一杯でもう入れない状態では…と思ってしまう人が多いかと思うが実はそうではない。高校化学で学ぶ範囲では閉殻構造を正確に説明することが難しのですが、ここでヒントになるのが「量子力学」と「電子軌道」です。

簡単そうで奥が深い閉殻構造。国立大学の理系出身で環境科学を学び化学に詳しいライターNaohiroと一緒に解説していきます。

ライター/Naohiro

国立大学の理系出身。環境科学について学んだ後技術者として化学に携わってきた知識と経験をもとにテクニックではなく、本質的な理解にもとづき閉殻構造について分かりやすく解説する。

1. 閉殻構造とは

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まず、高校化学の範囲で閉殻構造がどのように定義できるかを確認してみましょう。高校化学で学習する範囲で閉殻構造は「最外殻の電子数が8個である状態」と説明することができます。

これは原子の最外殻電子の数が8個あると化合物やイオンが安定に存在するという経験則である、オクテット則と同じ内容を示していることが分かりますね。

1-1. ボーアの原子模型

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The American Institute of Physics credits the photo [1] to AB Lagrelius & Westphal, which is the Swedish company used by the Nobel Foundation for most photos of its book series Les Prix Nobel. – Niels Bohr’s Nobel Prize biography, from 1922, パブリック・ドメイン, リンクによる

高校生までのカリキュラムで学ぶことになっているボーアの原子模型、これはデンマーク人の理論物理学者ニールス・ボーアが1913年に確立した皆さんお馴染みの原子モデルで、中心に陽子と中性子からなる原子核をもち、その周りのK殻から始まるエネルギー準位の異なる電子殻を電子が回るというもの。

これは当時ドイツ人物理学者マックス・プランクが発見した、電子の励起が連続的ではなくプランク定数hを用いたプランクの法則にもとづきとびとびの値をとるということに上手く対応したモデルでした。

1-2. 各電子殻における最大電子収容数

1-2. 各電子殻における最大電子収容数

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そしてボーアの原子模型における電子殻K殻からO殻までの最大電子収容数を見てみると、K殻が最大2個、L殻8個、M殻18個、N殻32個、そしてO殻が50個となっています。これらの最大電子収容数は2n2に従っていることが知られておりK殻はn=1で2、L殻はn=2で8、そしてO殻はn=5で50となるのです。

1-3. 最外殻電子数8個=閉殻構造

1-3. 最外殻電子数8個=閉殻構造

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次に安定核種である第18族希ガス(貴ガス)原子の電子配置を見てみます。図に示すようにヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ラドン(Rn)と最初のヘリウムを除いて全て最外殻電子数が「8個」になっていることが分かりますね。

ヘリウム2個、ネオン10個、アルゴン18個、クリプトン36個、キセノン54個、ラドン86個という原子が安定化する電子数のことを電子の魔法数と呼ぶことも覚えておきましょう。

ここで先ほどの希ガス(貴ガス)原子での各原子殻の電子配置を見返してみると、ヘリウムからクリプトンまではK殻から順に原子殻が埋まっているのですが、キセノンはN殻が埋まる前にO殻に電子が8個ラドンではO殻が埋まる前にP殻に電子が8個収容されてしまっていることが分かりますね。

1-4. 閉殻構造の謎

なぜ内側の外殻が電子で一杯になってから外側の電子殻に電子が入らないのだろうというのは受験勉強をしていると誰しもが一度は疑問に思ったことがあると思います。

ボーアの原子模型は電子が変化しない特定の軌道(電子殻)ととびとびのエネルギーの値をもち、突然ある状態から別の状態に移行(励起)するという特徴をもつモデルです。そしてこの原子模型はその後に発展した量子力学的な観点から

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