無機化学

水素原子の電子構造

　Hψ＝Eψ

　

　　水素原子の場合はｎのみに依存　→　縮退

　ｎ：主量子数　１,２,３…

　ｌ：方位量子数　０，１，２、…、（ｎ－１）

　ｍ：磁気量子数　－ｌ、－ｌ＋１、…、０、…、ｌ－１、ｌ

　ｍs：スピン量子数　１/２　or　－１/２

　角運動量　Ｌ　,　スピン演算子　Ｓ

　　

　水素類似原子（He+，Li2+）の場合

　　

多電子原子の電子構造

　ハミルトニアンに電子間クーロン反発を加える

　

　1電子近似　　：ｉ番目の電子の受けるクーロン力は他電子との距離ｒijを明確な形で含まず、ｒｉのみの関数で表される。

　パウリの排他律：同じスピンを持つ電子は同一の軌道に入れない。

　フントの規則　：軌道が縮退している場合、上向き（下向き）のスピンの電子数が最大となるように電子が占有される。

　多電子原子のエネルギー項

　　全電子の波動関数Ａ

　　　

　　角運動量の合成

　　　Ｌ－Ｓ結合

　　　　

　　　ｊ－ｊ結合

　　　　全電子波動関数Ａはの同時固有関数。　Ｊ＝Ｌ＋Ｓ

　　

　分光記号

　　

　

元素の周期的性質

・原子半径やイオン半径は同周期ではＺが大きくなると半径が小さくなる。

　（Ｚが大きいほど最外殻が中心に引きつけられる）

（ｎが大きいほど空間的に大きく広がる）

（第３遷移金属の直前に遮蔽効果の小さいランタノイドがある）

　

化学結合

  1. イオン結合：異なる電気陰性度をもつ原子が電子を受け渡ししクーロン力で引き合う

    2. 　格子エネルギー　Ｕ=Ｅc（クーロン力）＋Er（反発エネルギー）

    　　　　　　　　　　＝

    　　　　A：マデラング定数（格子構造により一定）

    　　　　Eｒ=ｂexp（-ar）：ボルン型反発エネルギーを仮定

    　　　　Uが極小になるところ→安定　：格子定数

    　

    　ボルン・ハーバーサイクル　

    　

    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⊿Hf＝⊿H1＋1/2⊿H2＋⊿H３＋⊿H4＋Ｕr0

  2. 金属結合

高融点金属…W，Ｔａ

　ｄ軌道が共有結合　→　高融点

ミラー指数

　格子の面に番号をつける。

　（ｈ，ｋ，ｌ）面はそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸と1/h，1/k，1/lで交わる面を表す。

３．共有結合

ＶＳＥＰＲ理論

　分子の形を予測

　反発の強さ…ｌｐ‐ｌｐ　＞　ｌｐ‐ｂｐ　＞　ｂｐ‐ｂｐ

  1. 水素結合

  1. ファンデルワールス結合

　

酸と塩基

  1. アレニウスの定義

    2. 　酸　：水溶液中でプロトンを出すもの

    　塩基：水溶液中で水酸化物イオンを出すもの

  2. ブレンステッド・ローリーの定義

    3. 　酸　：H+イオンを出すもの

    　塩基：H+イオンを受け取るもの

  3. ルイスの定義

　酸　：空軌道を使って電子対を受け取るもの

　塩基：非共有電子対を相手の空軌道に与えるもの

　HSAB（Hard&Soft　Acid&Base）

　　硬い酸（電荷が高い、サイズ小、遷移金属ではｄ電子少、分極されにくい）

　　　H+，Mg2+，Fe3+，Al3+　など

　　硬い塩基（電気的に陰性、分極されにくい）

　　　F-，Cl-　など

　　硬い酸＋硬い塩基　→　イオン結合的な反応

　　軟らかい酸（電荷が低い、サイズ大、遷移金属ではｄ電子多、分極されやすい）

　　　Cu+，Ag+，Hg2+　など

　　軟らかい塩基（陰性度が低い、分極されやすい）

　　　I-，CN-　など

　　軟らかい酸　＋　軟らかい塩基　→　共有結合的な物質を作る

　

　

　化学平衡

　　G＝G゜＋ＲＴlnａ

　　平衡では　‐⊿Ｇ゜＝ＲＴlnK

　解離定数　Ka

　BH+　＋　H2O　→　Ｈ3Ｏ　＋　Ｂ

　　Ｋa＝［H3O+］［B］／［BH+］

　B　＋　H2O　→　BH+　＋　OH-

　　Ｋb＝［BH+］［OH-］／［B］

　Ka･Kb＝［H3O+］［OH-］＝Kw　：水のイオン積　ｐKa＋ｐKb＝ｐKw＝14（25℃）

　

酸化還元反応

　酸化還元電位　Nernstの式

　

　

元素単体と化合物

１．水素

　水素の結合様式

　・イオン結合型　H3O+，ClO4-，Na+，H-

　・共有結合型　CH4

　・電子欠損型　B2H6

　・水素結合型　(HF)n

　水素吸蔵合金（Pt，Pd，Ni）

  1. 希ガス

  2. アルカリ金属

　反応例

　酸素：半径が大きいと過酸化物が安定

　　４Li　＋　O2　→　２LiO

　　２Na　＋　O2　→Na2O2

　　　K　＋　O2　→　KO2

　水素：２M　＋　H2　→　２MH

　・クラウンエーテルとの反応

（対角線関係：周期表で半径は、Zが大きくなると小さくなり周期が下がると大きくなるため、対角線上に位置する元素の半径が近くなり性質も似かよる。

　Li－Mg，Be－Al，Na－Ca，K－Sr，B－Si　）

  1. アルカリ土類金属

反応例

　CaCl2　＋　２H2O　→　Ca(OH)2　＋　C2H2

５．13族

６．14族

７．15族

N2　＋　３H2　→　NH3　　770K，300気圧，Fe系触媒

８．16族

　　　　　　

９．17族

Na+Cl-　→(電解)　Na+　＋　OH-　＋　1/2Cl2　＋　1/2H2

　HＣlO（次亜塩素酸）＜　HＣlO2（亜塩素酸）＜　ＨＣlO3（塩素酸）＜　HＣlO4(過塩素酸)

10．ｄブロック元素

（＊ランタノイド収縮：ｆ電子は遮蔽効果が小さいためイオン半径が小さくなり、第2と第3でイオン半径があまり変わらないため）

11．ｆブロック元素