電子殻 ( でんしかく 、( 英 : electron shell )は、ボーアの原子模型 において、原子核 を取り巻く電子軌道 の集まりをいう。言わば電子 の収容場 所のことで、それにいかに電子が入っているかを示すのが電子配置 である。実際の電子軌道は必ずしも球状ではなく、このモデルも厳密には正確ではない。しかし、原子に束縛された電子の状態を理解する上で重要なモデル である。
概要
電子殻は主量子数
n
=
1
,
2
,
3
,
⋯ ⋯ -->
{\displaystyle n=1,2,3,\cdots }
ごとに複数の層を構成しているとみなされ、エネルギー準位 の低い方からK殻・L殻・M殻・N殻・O殻・P殻 …と呼ばれている。電子殻それぞれに入ることのできる電子 の数は
2
n
2
{\displaystyle 2n^{2}}
個に等しい。ここで示す電子収容数はあくまで計算値であり、各電子殻上で32個より多く電子をもつ原子は発見されていない。
電子殻は一つ以上の「小軌道[ 1] 」(electron subshell) より構成され、各小軌道での電子収容数の和がその電子殻での収容数となる。次節参照。
電子は、量子数の小さい電子殻から順に入ることになっている。このため電子殻の数は、元素 によってそれぞれ異なり、元素の周期 を決定する要素となる。それぞれの原子の最も外側の電子殻の電子を最外殻電子 ともいい、希ガス を除きしばしば価電子 の役割をする。
電子殻のアルファベット がKから始まるのは、発見当初はまだこれより小さい殻があると考えられていたため、10個分の予約を確保し、11個目のKがあてられた。しかし、K殻よりも小さい殻は発見されなかった。
英版(英語圏)では電子殻を数字で表示し、ローマ字 表示もされると記述されている。("1 shell"(K殻)、 "2 shell"(L殻)、 "3 shell"(M殻)、・・・。)
計算上で電子殻に収納可能な電子数
殻
主量子数 n
電子数 2n 2
小軌道
K殻
1
2
1s (2)
L殻
2
8
2s+2p (2+6)
M殻
3
18
3s+3p+3d (2+6+10)
N殻
4
32
4s+4p+4d+4f (2+6+10+14)
O殻
5
50
5s+5p+5d+5f+5g (2+6+10+14+18)
P殻
6
72
6s+6p+6d+6f+6g+6h (2+6+10+14+18+22)
Q殻
7
98
7s+7p+7d+7f+7g+7h+7i (2+6+10+14+18+22+26)
しかし、実際に周期表 としてまとめられている元素 の電子配置 においては、電子殻内の電子数は、以下のような形でしか確認されていない。
(太字 (d軌道 、f軌道 )は、余剰部分として、電子の充填が後の周期へと後回しにされる軌道。d軌道は1周期後、f軌道は2周期後に充填される。d軌道は主に1周期後のDブロック元素 (遷移元素 )の部分を、f軌道は主に2周期後のFブロック元素 (ランタノイド ・アクチノイド )の部分を担う。)
実際上の電子殻に収納可能な電子数
周期
殻
電子数
小軌道
第1周期
K殻
2
1s (2)
第2周期
L殻
8
2s+2p (2+6)
第3周期
M殻
18
3s+3p+3d (2+6+10)
第4周期
N殻
32
4s+4p+4d +4f (2+6+10+14)
第5周期
O殻
32
5s+5p+5d +5f (2+6+10+14)
第6周期
P殻
18
6s+6p+6d (2+6+10)
第7周期
Q殻
8
7s+7p (2+6)
小軌道
英語でelectron subshellといい、「小軌道」、「副電子殻 」[ 2] 、「亜殻 」と言われる。ここでは本項目である「電子殻」と区別しやすくするため「小軌道」と表記する。小軌道は電子殻を構成する電子軌道の集まりで、エネルギー準位の低い内側のs軌道から始まり、p、d、f、g軌道と続く。各小軌道の電子容量の和がその電子殻の電子容量となる。K殻ではs軌道の2個のみ、L殻ではs軌道の2個とp軌道の6個の計8個、M殻ではs軌道の2個、p軌道の6個、d軌道の10個の合計の18個となる。
電子の収容順
増成原理(Aufbau principle)電子の各電子殻の各軌道への収容順。上からK(=1)、L(=2)、M(=3)、N(=4)、O(=5)、P(=6)殻
高位の「電子殻」の低位の「小軌道」のエネルギー準位は、低位の「電子殻」の高位の「小軌道」より低くなっており、そちらへ先に電子が収容される。これを構造原理 という。右図の3行目のM殻ではp軌道(3p)に電子が入ると、次はd軌道(3d)では無くN殻のs軌道(4s)へ電子が入る。その後でM殻のd軌道(3d)へ戻る。以降 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - 6sと続いていく。ただし第4周期 以降では例外もある。詳細は電子配置 を参照。
例えるなら、近くの建物の3階へ引っ越すより、遠い建物の1階へ入居するほうが簡単という事である。これがO殻、P殻に32個より多くの電子を持つ元素が見つかっていない理由でもある。
2012年の時点で発見が報告されている(未公認を含む)元素は、右図の小軌道6dおよび7s[ 注釈 1] を満たし、7pに電子を収容している元素である。
脚注
注釈
出典
関連項目