teruji-kun Hirata-Juku...天才UFO

HOME | 道具・力学 | 熱・化学 | 電気・磁気 | 量子・相対論 | 電子・IT・新技術

* 熱・化学20:周期律の発見(1869年:メンデレエフ)

Q46: M君は元素の周期表を学校で習ったのだが、なぜ18周期で描かれているのか理解できなかった。18という数字に何か特別な意味があるのだろうか?

 原子の構成は玉ねぎのように、中心に核(原子核)がありその周りを電子の座席になる多くの殻で包まれている。殻には名前が付いていて内側からK殻(2)、L殻(8)、M殻(18)、N殻(32)、O殻(32)、P殻、Q殻、‥と呼ばれていて、(数字)はその殻中の電子の座席数となる。電子は原則この殻の内側から順番に入るのだが、少しズレが生じる。まずK殻の2座席、L殻の8座席に順次電子が入り、これらが周期表の第1周期の2元素、第2周期の8元素にそれぞれ対応する。次はM殻の18座席を満たすことが期待されるが、なんと第3周期は8元素で終わり、第4周期以降が全て18周期となる、これはいったい何故だろう?

 答えは、「各殻の座席に対する電子の着席順序が、3周期のAr元素以降ずれるため」。着席順序は電子にとってエネルギーの低い状態からになるのだが、実は「殻(座席)」だけでは決まらず「電子の軌道形状(座り方)」が影響するのである。そして軌道形状に関するエネルギーの低い序列はs(2)、p(6)、d(10)、f(14)‥軌道という順序となる。ここで(数字)は各軌道をとれる電子数である。つまり「各殻の座席数と軌道(座り方)数の2種類が絡み合い、電子の座る順番が決まる」と言う事。なんとややこしい!しかし、人も映画館の座席に前から順序良く座らないではないか、電子にも座席に(エネルギー的な)好き嫌いがあるのだ、と考えれば理解はできる(かな?)。

 そこで結論だが(早い!)、各殻に入る軌道は決まっており、K殻(s軌道)、L殻(s、p)、M殻(s、p、d)、N殻(s、p、d、f)、O殻(s、p、d、f)…となっている。この可能性の中でエネルギーの低い順序で電子がつまってゆく。まずK殻のs軌道に2個が、次にL殻のs軌道2個とp軌道6個に順序よく入る。さらに次のM殻はs軌道2個とp軌道6個で計8個がつまると、なんとd軌道はエネルギーが高いためスキップされM殻は一旦終了する。これが第3周期が8元素で終わる理由である。さて次の電子はM殻d軌道よりエネルギーが低いN殻s軌道にまず2個が入り、その後M殻d軌道に戻って10個入った後、N殻p軌道の6座席を満たす、これが第4周期の18元素となる。これ以降は同様な流れでの座席の座り方となり18周期が続くことになるのである。これが上記クイズの「18」の意味である。この複雑なメカニズムが分かったのは20世紀に量子力学ができてからであり、メンデレエフ(Дмитрий Иванович Менделеев、露、1834~1907年)はそれを知らずに周期表を発見した。これも分子の結合同様(第31話参)理由は分からないが性質から見つけられた真理であった。

 メンデレエフは1834年シベリア(露)に中学校長の父とガラス工場経営者の母の間に14番目の末っ子として生まれた。当時のシベリアは政治犯の流刑地であり、自由主義者の父母がこれらインテリ層を家庭教師として招き、優秀な末っ子を教育したのである。しかし14歳で父を亡くし、母とサンクトペテルブルグに移って大学に入学するが、母親はその後死去、自身も大学卒業後結核を煩う。しばらく養生しペテルブルグ大の私講師となった。その後能力が認められ、25歳でパリとドイツに留学、ブンゼン(Robert Wilhelm Bunsen、独、1811~1899年)らに学びヨーロッパの新しい化学を吸収した。当時の主要テーマは「果たして元素はいくつあるのか?」「又、それらは周期的な表で分類できるか?」ということであり、彼もこの課題に飛びついたのである。

当時、既に元素は60種類ほど発見されており、元素を軽い順番に並べると、似たような性質が周期的に現れることに強い関心が持たれていた。そして1860年頃、何種類かの周期表が提案され始められる。1862年、仏のド・シャンクルトワ(Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois、仏、1820~1886年)は元素を円筒状の紙に並べた「地のらせん」を提案、この方法では縦方向に似た性質の元素が並んだ。1864年、英のニューランズ(John Alexander Reina Newlands、英、1838~1898年)は原子量順に元素を並べ、8周期で似た性質の元素が現れることを示し、音楽の音階になぞらえ「オクターブの法則」と呼んだ。同年独のマイヤー(Julius Robert von Mayer、独、1814~1878年)も既知の49元素を原子の体積順に並べた16列の周期表を発表した。しかしそれぞれの案も全ての元素をうまく説明できない課題が残り、興味を持たれつつも確立できない状況であった。

 1869年メンデレエフは当時西欧に遅れをとっていたロシアの化学を進展させるため、化学の教科書を執筆しながら元素の説明に苦慮していた。彼は69種の既知元素を、好きなカードゲームにならって、各カードに原子量や性質を記録し、並び替えを繰り返していたのである。そんな折、友人から葉書を受け取る。そこには「3つ組元素をどう思うか?」、と書かれていた。「3つ組元素」とは、独のデーベライナー(Johann Wolfgang Döbereiner、独、1780~1849年)が気づいた「フッ素、塩素、臭素」「リチウム、ナトリウム、カリウム」などの似た性質を持つ3元素仲間の事である。これからヒントを受け、これら3つ組元素が縦方向に並ぶようにカードを並び変えた。しかしどうしても空欄が現れる、ここで「空欄はまだ発見されていない元素ではないか!」とひらめくのである。彼は69年ロシア化学会で、彼の「(空欄付き)周期表」を発表した。残念ながら科学後進国からの発表は誰からも注目を集めなかったが、空欄元素がその後発見されるに至って、彼の周期表の信憑性が徐々に確信されて行くことになる。(後にノーベル賞候補になるも残念ながらロシアへの差別?もあり受賞は逃すことになる、これほどの成果なのに残念だ)。

宿題46: 今見つかっている元素の種類は118個程度だと学校で習ったM君は、まだ見つかっていない元素を自分で発見してやろうと考えた。さてどうすべきか?

*NEXT

次は何を読もうか↓(下の目次か右側のリンクより選んで下さい)

内部リンク

外部リンク