物質を構成する原子の内部構造と化学結合3


  1. 導入
    1. 本日の内容
       
      1. 電子の波と粒子の二重性
        1. 電子には粒子としての性質だけでなく波としての性質もある
        2. 1次元の箱の中の粒子→確率波
      2. 原子の中の電子構造
        1. K, L, M殻・・・の中にも更に構造がある
        2. 電子雲:軌道(orbital)
        3. 電子雲は3次元の(確率)波
        4. 軌道とエネルギー準位
        5. 電子のスピン
      3. 原子軌道から分子軌道へ
        1. 波と波の重ね合わせ 
          1. 干渉して原子間の電子の存在確率は上がる
          2. 共有電子対
      4. 分子の形と原子軌道
        1. 水分子が折れ曲がっているのはなぜか
           
  2. 電子殻の内部構造
     
    1. 原子中の電子の惑星モデルの終焉(OHP)
       
    2. 水の波→波の干渉とは?
       
    3. 光は波→二重スリットを通ると干渉作用を示す
       
    4. 電子の波としての性質
       
      1. 波と粒子の二重性(OHP)
        1. 二重スリット実験
          1. 干渉した!電子には粒子だけでなく“波”としての性質もあり。
             
      2. 1次元の箱の中の粒子(電子)(仮想的)
        1. 壁の所のポテンシャルエネルギーは無限大
          1. ポテンシャルエネルギーとは?
            1. 所謂位置エネルギーのこと(重力場で説明)。
            2. 壁ではマイナス無限大の電荷があるとする。
          2. 箱の中の電子は壁の位置には見いだされない
            1. 壁ではポテンシャルエネルギーが無限大
          3. 箱の中の物質波は半波長の整数倍(n倍)しかとれない
          4. nの値が大きくなると粒子の持つエネルギーが大きくなる。
            全エネルギー=運動エネルギー+ポテンシャルエネルギー
                    1/2(mv2)    Fs
            1. 例えば原子に熱が加えられると,原子の持つエネルギー(電子のエネルギー0は大きくなる。
            2. ここでは専門的になりすぎるので深入りしないが,波の波長が短いということはエネルギーは大きい事に対応している
          5. ただし,トビトビの値しかとることができない(エネルギー準位)
            その理由を理解するためには「量子力学」という専門的な勉強をしなければならない。ここでは,詳しくは説明しない。
             
      3. 2次元でも同じ事が考えられる。(仮想的)
        1. 2次元の箱の中の粒子の確率波
           
    5. 原子の中の電子(現実的)
       
      1. 3次元
      2. ポテンシャルエネルギーは原子核と電子の静電的引力で決まる
      3. 電子の軌道の形 〜電子殻の内部構造
        1. s, p, d軌道(OHP)
          1. K殻:1s軌道(電子2個まで入る)
          2. L殻:2s軌道(電子2個まで入る)と2p軌道(3種類:各軌道に2個,計6個まで電子が入る)
          3. M殻:3s軌道(電子2個まで入る),3p軌道(3種類:各軌道に2個,計6個まで電子が入る),3d軌道(5種類:各軌道に2個,計10個まで電子が入る)
        2. “軌道”と言っても電子の運動は決まった経路を持った運動ではない
          1. 確率の波!
             
    6. 電子のスピンとパウリの排他原理(OHP)
      1. 各軌道には電子は2個までしか入らない
      2. 各軌道の電子2個は必ずスピンを反対にしなければならない
         
    7. 炭素原子の電子構造(OHP)
       
    8. 電子配置(OHP)
      1. エネルギー準位(OHP)〜原子核に近い電子の方がエネルギーが低い(安定)
        1. とびとびのエネルギー=エネルギー準位(板書)
          ・エネルギーは決まった値しかとれない(とびとび)
          ・おおよそK, L, Mの順で大きくなる
          ・ただし、電子が複数ある場合、sとdで逆転現象
          ・これからも使う
           
  3. 分子の形と電子軌道
     
    1. 水素分子はどうやってできているか 〜分子軌道(OHP)
      1. 波と波が重なる:原子間の電子の存在確率が上昇→共有結合
         
    2. 色々な分子の形
      1. H2O(OHP)
        1. 結合に関わる電子は最外殻の電子のみ
        2. 結合を作っているのはHの1s軌道とOの2p軌道の重なりによる
          1. 軌道→確率の波→強めあいの干渉→原子間の電子の存在確率上昇→共有電子対
          2. 3つのp軌道は互いに垂直
            1. 水分子が折れ曲がっている原因
              しかし,90°で曲がっていない。実際の角度は104.5°である。これを説明するには「混成軌道」という概念を使う必要があるが,ここでは扱わない。
      2. NH3(OHP)
        実際の角度は107°。
         
  4. まとめ
     
  5. 確認課題

授業後の学生の感想から


授業後の反省


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