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物質は原子からなり、原子は＋の電荷をもつ原子核と−電荷の電子で構成されています。原子の集まりである分子も 電子の力で結合しています。
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原子核と電子
の引力：
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原子核相互の
斥力(反発)
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電子とは |
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電子は濃淡のある雲にたとえられます。雲の形を軌道と呼びます。
電子にはスピンという属性があり、アップ↑かダウン↓のどちらかです。±1/2と記します。
1本の軌道に電子は2個まで属します。普通は逆スピンの組み合わせ(↑↓)で、スピン運動量０の安定状態になっています。これをスピンペアと呼びます。
電子が1個しかないとき不対電子と呼びます。この状態をラジカル：radicalと呼び、不安定で
強い反応性を示します。
軌道：Orbital とは電子の存在確率の空間分布です。雲の濃淡は確率の高低に相当します。
その確率を示すのが波動関数ですが、水素原子をモデルとしてシュレディンガー；Schrödinger方程式
から得られます。
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水素型原子の軌道モデル |
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Schrödinger方程式の解は無数にあり、それぞれ雲の形も違います。下の表はその一部で、電子数１から10まで、つまり元素周期表の第１周期、第２周期の原子に属する雲の形です。油脂をつくる
元素（炭素、水素、酸素）もここに含まれます。
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階層 |
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主殻 |
副殻 |
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形状 |
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2
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L殻
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2p
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x
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y
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z
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2s
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1
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K殻
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1s
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 軌道の形
s軌道： 原点からの距離だけで分布確率が決まる形状。球です。
p軌道： x,y,z各軸方向の分布
。三角関数cosを極座標で描いた形です。
殻構成
・第1層 K殻 s軌道1本のみ。
・第2層 L殻 s軌道1本とp軌道3本 計4軌道。
L殻4軌道を重ねて見ると
水素原子は軌道１ｓに１電子が属し、ヘリウム；Heは１ｓに２電子属します。軌道2sから第2周期の元素です。
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閉殻構造と反応性
K殻やL殻について、電子軌道に空きがないことを閉殻と呼びます。上記から
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階層 |
殻 |
副殻 |
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軌道数 |
電子数 |
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閉殻電子数 |
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2 |
L殻 |
2P |
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3 |
6 |
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(8) |
10個 |
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| 2S |
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1 |
2 |
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1 |
K殻 |
1S |
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1 |
2 |
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2個 |
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第1層(K殻)は2電子で閉殻です。第2層(L殻)は4軌道、8電子で満員。第1層とあわせて電子数10で1、2層とも満員の閉殻です。原子番号2(電子数2)のHe：ヘリウムと原子番号10(電子数10)のNe；ネオンは閉殻です。
軌道に空きがあれば、他の原子から電子を取得するか、共有して軌道を満たします。つまり、化学反応を起こして分子を作ります。空きがない閉殻原子は、安定で反応性がな
く不活性元素と呼ばれます。
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水素分子：H2
水素原子：H [原子番号１]は、１s軌道に電子を1個もつラジカルです。
このため、単体で自然に存在することはなく、水素２原子が互いに電子を共有することでH2分子を作ります。H2は閉殻で安定で
、もっともシンプルな分子です。
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原子軌道から分子軌道へ |
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分子には二つ以上の中心(原子核)があります。
つまり分子軌道は原子の電子軌道とは異なり、新たに波動関数を求めることになりますが、おおよそ図のようになります。原子軌道：AO、分子軌道：MOと略記します。
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１ｓ軌道合成
水素型AO:１ｓ
接近。電子共有
結合性MO：σ
非結合性MO：:σ*
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２本の原子軌道(各２電子)が結合すると、分子軌道も2本生じます。図の結合性軌道：σと非結合性軌道：σ*です。σ(シグマ)は結合の軸方向の軌道を指します。結合性軌道は二つの原子核の間に分布し、誘引力を生じます。非結合性軌道はその逆側に分布して反発力を生じます(逆位相)。
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水素分子の場合、2原子合計で2電子なので結合性軌道のみ生じ、非結合性軌道は空です。
ちなみに、He：ヘリウム(電子数２)の場合、2原子計4電子で結合性と非結合性の両軌道を生じることになり、互いに打ち消しあうので結合しません。
これがヘリウムが不活性であることの量子化学的な解釈です。
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排他原理：宇宙の陰陽律？ |
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余談です。スピンは、物質を構成する素粒子(フェルミ粒子)に共通する属性で「Ｐａｕｌｉの排他原理」に従うものとされます[1945年ノーベル物理学賞]。
これは、(量子レベルで)同一状態の素粒子が、同じ場所同じ時刻に二つとは存在しえないことを意味します。逆に、もし排他的ではない宇宙があ
るとすると、素粒子も原子も判別不能などろどろ状態にちがいありません。排他原理は、物の存在にかかわる根本原理のひとつと考えられます。 |
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