価電子数を求める方法

化学において「価電子」とは、最外殻の電子殻に存在する電子です。原子が取り得る化学結合の種類は、価電子数によって決まるため、原子の価電子数の求め方を理解することは、化学者にとって重要です。元素の価電子数を求めるのに必要なものは、元素周期表のみです。

パート 1

パート 1 の 2:

周期表を用いて価電子数を求める

非遷移金属

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元素周期表を手に入れる　周期表は、既知の元素を全て網羅している色分けされた表です。周期表から元素に関する多くの情報を知ることができます— この情報を用いて、調べる元素の価電子数を求めます。周期表は、通常化学の教科書の表紙の内側にあります。また、こちらのサイトでもインタラクティブな周期表を利用することができます。^{[1]
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出典文献}
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元素周期表の各列に1から18までの番号を振る　一般的に、周期表で縦の同じ列に並ぶ元素は、全て同じ数の価電子を持ちます。周期表の各列に番号が振っていない場合は、左端の列から右端の列まで、1～18の番号を順に振りましょう。化学では、この列を元素の「族」と呼びます。^{[2]
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出典文献}
- 例えば、周期表の族に番号が振っていなければ、左端の水素（H）の上に1、ベリリウム（Be）の上に2と順次番号を振っていき、右端のヘリウム（H）の上に18を書き入れます。
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周期表で調べたい元素を探す　価電子数を求めたい元素を周期表から探しましょう。元素記号（各四角形の中に入っている文字）や原子番号（各四角形の左上にある数字）、その他周期表から読み取れるあらゆる情報を用いて、価電子数を求めることができます。
- 例として、とてもよく知られている元素である炭素（C）の価電子数を求めてみましょう。この元素は、原子番号が6で、14族の一番上にあります。次のステップで、炭素原子の価電子数を求めます。
- このサブセクションでは、遷移金属（周期表内の長方形の枠内にある3族から11族の元素）を無視します。これらの元素は、他の元素と若干異なるため、このサブセクションで紹介する方法で価電子数を求めることができません。遷移金属の価電子数を求める方法については、次のサブセクションを確認しましょう。
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族番号を利用して価電子数を求める　非遷移金属元素の価電子数は、族番号を利用して求めることができます。これらの元素（原子）の価電子数は、族番号の１桁目と一致します。つまり、以下の通りです。
- 1族：価電子数1
- 2族：価電子数2
- 13族：価電子数3
- 14族：価電子数4
- 15族：価電子数5
- 16族：価電子数6
- 17族：価電子数7
- 18族: 価電子数8（例外としてヘリウムは価電子数2）
- 例として挙げた炭素は14族であるため、1つの炭素原子は、4個の価電子を持つと言うことができます。
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遷移金属

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3族から11族の元素を確認する　上記のように、3族から11族の元素は「遷移金属」と呼ばれており、遷移金属の価電子について考えるときは、他の族の元素と分けて考えなければなりません。多くの場合において、遷移金属の価電子数を求めることはできませんが、このセクションでは、ある程度検討をつける方法を紹介します。
- 例として、原子番号73のタンタル（Ta）について考えてみましょう。以降のステップにて、タンタルの価電子数を求めてみましょう（少なくとも、検討をつけてみましょう）。
- 遷移金属には、ランタノイドとアクチノイド（別名：希土類金属）も含まれることに注意しましょう— これらは、ランタンとアクチノイドから始まる、通常周期表の下に配置されている2行の元素群で、全て周期表の3族に属しています。
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遷移金属の価電子数は、他の元素と同じ方法で求められないことを理解する　これを理解するには、原子の中での電子の挙動について多少理解する必要があります。以下にまとめた要点を確認するか、読み飛ばして次のステップで答えのみを確認しましょう。^{[3]
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出典文献}
- 原子が電子を得ると、電子は異なる「軌道（のようなもの）」に配置されます— ここで言う「軌道」とは、基本的には、原子核の周りの電子が集まる異なる空間を意味します。一般的に、価電子数は最外殻の電子数、言い換えれば、最後に追加された電子数と一致します。
- この記事で説明するには複雑すぎる理由は、電子が遷移金属の最外殻のd軌道に入ると、最初に軌道に入る電子は通常の価電子のように振る舞うにもかかわらず、その後に入る電子は異なる挙動を示して、代わりに他の軌道にある電子が価電子のように振る舞うこともあるためです。つまり、電子がどのように原子に入るかによって、同じ原子でも価電子数が異なる場合があるということです。
- 詳しい説明については、Clackamas Community College（クラカマス・コミュニティ・カレッジ）のページ（英語）を確認しましょう。 valence electron（価電子について）。^{[4]
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  出典文献}
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族番号に基づいて、価電子数を決める　繰り返しになりますが、元素の価電子数は、その元素の族番号を見れば求められます。ところが、遷移金属の場合は、一意に求まる法則がありません — 通常族番号からは、存在し得る価電子の数がある範囲内でしか分かりません。その範囲は以下の通りです。^{[5]
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出典文献}
- 3族: 価電子数3
- 4族: 価電子数2 ～4
- 5族: 価電子数2～5
- 6族: 価電子数2 ～6
- 7族: 価電子数2～7
- 8族: 価電子数2または3
- 9族: 価電子数2または3
- 10族: 価電子数2または3
- 11族: 価電子数1または2
- 12族: 価電子数2
- 例として挙げたタンタル（Ta）は5族の元素であるため、状況によって、「2～5個の価電子を持っている」と言うことができます。
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パート 2

パート 2 の 2:

電子配置から価電子数を求める

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電子配置の読み方を学ぶ　電子配置と呼ばれるものを使って、価電子数を求めることもできます。電子配置は、一見複雑に見えるかもしれませんが、単に原子の電子軌道を表すための方法であり、読み方を覚えてしまえば簡単です。
- 例として、以下にある、ナトリウム（Na）の電子配置を見てみましょう。
  1s²2s²2p⁶3s¹
- この電子配置は、単に以下のような繰り返し文字列であることに注目しましょう。
  （数字）（アルファベット）^（指数）（数字）（アルファベット）^（指数）...
- ...と以下同様に繰り返します。最初の（数字）（アルファベット） 部分は、電子軌道名であり、^（指数）は、その軌道にある電子数を表します— たったそれだけです。
- つまり、例として挙げたナトリウム（Na）は、1s軌道に2個の電子、2s軌道に2個の電子、2p軌道に6個の電子、3s軌道に1個の電子を持つと言うことができます。電子の数は、合計で11個— ナトリウムの原子番号は11であるため、辻褄が合います。
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調べる元素の電子配置を求める　元素の電子配置が分かると、価電子数を求めることは容易です（当然、遷移金属は例外です）。最初から電子配置が分かっている場合は、次のステップに移りましょう。自分で電子配置を求める必要がある場合は、以下を確認しましょう。
- 以下は、原子番号118のウンウンオクチウム（Uno）の電子配置です。
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶
- さて、この電子配置が手元にあれば、他の原子の電子配置を求めるためにすべきことは、その原子が持つ電子を、初めから順に無くなるまで、この配置に当てはめていくだけです。難しく思えるかもしれませんが、実際は簡単です。例えば、原子番号17（つまり電子数17）の塩素（Cl）の電子配置を求めたい場合は、以下のように行います。
  1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
- 電子の数が合計17になることに注目しましょう：2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17。必要なのは、最後の軌道の数を変えるだけです— 最後の軌道以外は、満杯であるため、変える必要はありません。
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オクテット則にしたがって、電子を軌道殻に割り当てる　原子が電子を得ると、電子は上記の順番で異なる軌道に入ります — 最初の2個は1s軌道、次の2個は2s軌道、続く6個は2p軌道という具合で、決まった順番で入ります。非遷移金属元素について考える場合は、これらの電子軌道は、原子核の周りに軌道殻を形成して、後に続く軌道殻は、前の殻の外側に位置すると考えることができます。電子が2個しか入らない最初の殻を除いて、各殻は8個の電子を持つことができます（繰り返しになりますが、遷移金属を除きます）。これをオクテット則と呼びます。
- 例えば、ホウ素（B）について考えてみましょう。ホウ素の原子番号は5であることから、電子を5個持ち、電子配置は次の通りであることが分かります：1s²2s²2p¹。最初の軌道殻には電子が2個しか入らないため、ホウ素は2つの殻を持つことが分かります：1s電子が2個入っている殻、2sと2p軌道に入っている3個の電子を持つ殻。
- 別の例として、塩素のような元素には、軌道殻が3つあります：1s電子2個が入っている殻、2s電子2個と2p電子6個が入っている殻、3s電子2個と3p電子5個が入っている殻。
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最外殻に入っている電子の数を求める　調べる元素の電子殻について分かれば、価電子数を求めることは簡単です。最外殻に入っている電子数を利用するだけです。最外殻が満杯（言い換えれば、殻に電子が8個入っている、あるいは最初の殻であれば2個入っている状態）の場合は、その元素は不活性であるため、他の元素とは容易に反応しません。繰り返しになりますが、この規則は遷移金属には当てはまりません。
- 例えば、ホウ素（B）について考える場合は、２番目の殻に3個の電子が入っているため、ホウ素の価電子数は3個であると言うことができます。
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周期表の横の列を利用して価電子数を簡単に求める　周期表の横の列は、元素の「周期」と呼ばれています。周期表の1行目が第1周期であり、各周期は、その周期にある元素が持つ「電子殻」の数に対応します。これを利用すれば、すぐに元素の価電子数を求めることができます— 調べる元素の周期の左端から価電子数を数えていきます。繰り返しになりますが、この方法を利用するときは、遷移金属を無視しましょう。
- 例えば、セレン（Se）は第4周期にあるため、電子殻を4つ持つことが分かります。この周期で、セレンは左から数えて6番目の元素であるため（遷移金属を無視）、最外殻である4番目の殻には、電子が6個入っていることが分かります。ゆえに、セレンは価電子を6個持つことが分かります。
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ポイント

希ガス（18族元素）を利用すれば、電子配置を簡潔に表記することができます。例えば、ナトリウムの電子配置は[Ne]3s1と表記できます — 基本的には、ネオンと類似していますが、3s軌道に電子を1つ多く持つため、このように表記することができます。
遷移金属は、電子で満杯にならない副殻を持つ場合があります。遷移金属の価電子数を正確に求めるには、この記事の範疇を超える量子論の原理を理解する必要があります。
周期表は、国ごとに異なることを覚えておきましょう。混乱を避けるために、必ず正しい周期表が手元にあることを確認しましょう。
価電子数を求めるには、最終軌道への電子の追加や、そこから電子を差し引くタイミングを必ず把握しましょう。