高校化学基礎 電子配置—電子殻の並びから結合に関わる電子を数える｜武蔵野個別指導塾

殻ごとの電子数を足して総数を確認し、希ガスの最外殻電子と価電子を区別する根拠を整理できます。

よくあるのは、高校生が希ガスの最外殻電子をそのまま価電子と呼び、答案の数字を直せずにいる場面です。殻の一番外側にある電子を数えるところまでは合っています。そこで求められているのが最外殻電子なのか、結合に関わる価電子なのかを読み分けると、次の判断に進めます。

電子配置は、原子の電子を内側から殻に分けて表す方法です。ここでは基礎で扱う元素について、殻ごとの数と最外殻電子、価電子の関係を考えます。電子の軌道や遷移元素は扱いません。

答案で問われる3つの形

1つ目は、原子番号から電子の総数を決め、K殻、L殻、M殻の順に数を割り振る問題です。電気的に中性の原子では電子数は原子番号と等しくなります。まず総数を記してから殻に分けると、途中で電子を落としたかどうかを調べられます。

2つ目は、電子配置から最外殻電子の数を読む問題です。外側に描いた円の数ではなく、電子が実際に入っている殻のうち最も外側を探します。その殻に入る電子を数えるため、内側の電子は足しません。配置が数字で並んでいる場合も同じで、最後の数に注目します。

3つ目は、最外殻電子と価電子を別々に答える問題です。希ガス以外の典型的な元素では、最外殻電子の数を価電子の数として扱います。希ガスは最外殻が満たされて安定しており、化学基礎では価電子を0個と扱います。同じ殻を見ても、問いの用語によって答える数が変わります。

殻に分けてから外側を読む

電子殻は原子核の周りにある電子の入り方を整理するための区分です。内側からK殻、L殻、M殻と呼びます。図1の円は殻の順序を示す模式図で、電子の実際の通り道や大きさを表したものではありません。この図では電子の点を省き、殻の順序に注目します。

図1のように、最も内側のK殻には最大2個、その外のL殻には最大8個の電子が入ります。M殻には最大18個入りますが、基礎でよく扱う原子番号20までの元素の配置では、M殻に8個入った後、次のN殻に電子が入ります。したがって、この範囲の中性原子なら、K殻に2個、L殻に8個、M殻に8個まで順に置き、残りをN殻に置く手順で整理できます。M殻の最大収容数と、この範囲で実際に並べる数を混同しないことが必要です。

電子配置を「2, 8, 1」のように書くときは、左から順にK殻、L殻、M殻の電子数を表します。3つの数字を足した11が電子の総数で、最後の1が最外殻電子の数です。電子が入っていない外側の殻を付け加え、その0を最外殻電子と読まないようにします。

価電子は結合に関わる電子を考えるときに使う数です。最外殻電子は位置に着目した名前であり、価電子は結合に関わる性質に着目した名前です。多くの典型元素では両者の個数が一致しますが、希ガスでは一致しません。たとえばヘリウムはK殻に2個の電子を持ちます。K殻が最外殻なので最外殻電子は2個ですが、価電子は0個です。

この区別を保つため、解答欄に数字を書く前に「どの殻にあるか」と「価電子として何個と扱うか」を別の問いとして声に出してみてください。数えた対象を明示すると、同じ2という数字を別の意味で使う誤りを避けられます。

数字の並びを読むときの点検

配置を作る操作と、できあがった配置を読む操作は逆向きです。作るときは総数から始めて内側の殻へ順に分けます。読むときは各殻の数を足して総数を復元し、最後に電子がある殻を探します。答案に「2, 8」とあれば、2個の殻が8個あるという意味ではなく、K殻に2個、L殻に8個という意味です。区切りの位置まで含めて読む習慣をつけます。

殻を図に描く問題では、原子核からの順番を先に決めてから点を置きます。見やすい場所に点を描いても、同じ殻にある点の数は変わりません。円の上の点を1個ずつ指で追い、数え終えた殻のそばに数を書けば、同じ点を二度数える失敗を減らせます。点の場所を実際の電子の位置と考えて、図の角度から性質を判断する必要はありません。

また、原子番号を見た時点で中性の原子かどうかを確かめます。原子番号が示すのは陽子の数であり、中性原子では電子数もそれと等しい、という順序です。問題が中性原子を指定していれば、この等しさから出発できます。異なる電荷を持つ粒子では電子数の扱いが変わるため、原子番号を無条件に電子数として写さないようにします。

答案を見直す際は、まずK殻が2個を超えていないか、次にL殻が8個を超えていないかを見ます。その後で合計を調べます。合計が正しくても、内側に空きがあるまま外側に電子を置いた配置は、ここで扱う原子の配置として適切ではありません。逆に殻ごとの数が上限以内でも、合計が与条件と合わなければ電子を落としたり重複させたりしています。両方の点検が必要です。

基本例題：電子の総数から並べる

原子番号13の中性のアルミニウム原子について、K殻から順に電子数を整数で示し、最外殻電子と価電子の数をそれぞれ整数で答えてください。また、電子の総数に戻して配置を確かめてください。

中性原子の電子数は原子番号と等しいので、最初に使う電子は13個です。図2のように、内側の殻から入れ、残数をその都度書きます。殻の容量と残っている電子の数を同時に見て、入れすぎないようにします。

まずK殻に2個を入れます。残りは次の通りです。

13 − 2 = 11個

次にL殻に8個を入れます。K殻とL殻に入れた合計は10個で、残りは3個です。

11 − 8 = 3個

残りの3個をM殻に入れます。したがって電子配置はK殻から順に2, 8, 3です。電子の入った最も外側はM殻で、そこにある電子は3個です。アルミニウムは希ガスではないので、この場合の価電子も3個です。

最後に逆向きに足して、最初の条件に戻します。

2 + 8 + 3 = 13個

合計が原子番号に対応する電子数と一致しました。殻ごとの上限も守られています。答えは電子配置が2, 8, 3、最外殻電子が3個、価電子が3個です。図2の残数も13個から順に引いた結果と一致します。

もし最外殻電子を13個としたら、全殻の合計を答えています。反対に価電子を8個としたら、最も外側ではないL殻を数えています。どちらの場合も、数を計算し直す前に「どの殻を指しているか」を確かめると修正できます。

少し難しい例題：同じ外側でも問いが違う

中性のアルゴン原子の原子番号は18です。K殻から順に電子配置を整数で示し、最外殻電子と価電子をそれぞれ整数で答えてください。さらに、配置の合計を元の電子数に戻して確かめてください。

中性なので電子は18個です。K殻に2個を入れると16個残り、L殻に8個を入れると8個残ります。その8個をM殻に入れるので、配置は2, 8, 8です。

18 − 2 = 16個

16 − 8 = 8個

2 + 8 + 8 = 18個

合計は初めの18個に戻りました。実際に電子がある最も外側のM殻には8個あるので、最外殻電子は8個です。一方、アルゴンは希ガスです。満たされた外側の殻を持ち安定しているため、この扱いでは価電子は0個と答えます。

判断の分かれ目は、配置を完成させた後に何を問われたかです。「最外殻電子」と書いてあれば位置から8個を数えます。「価電子」と書いてあれば、希ガスであることを確認して0個とします。0個という答えは、最外殻に電子が存在しないという意味ではありません。図の点を消してしまうと、配置そのものが変わってしまいます。

記述問題で理由まで求められたら、「最外殻に8個あるが、希ガスで最外殻が満たされて安定しているので、価電子は0個と扱う」と書けます。配置と価電子の扱いを一文でつなぐことで、8個を数え忘れたのではないと伝わります。

誤答をどこから直すか

図3のように、アルゴンの最外殻電子8個から、そのまま価電子も8個とする答案を考えます。最外殻電子を8個と数えた部分は正しく、誤りは希ガスにも通常の対応をそのまま使った点です。配置全体を消して書き直す必要はありません。

修正するときは、まず元素が希ガスかどうかを確認します。次に「最外殻電子8個」は残し、「価電子8個」を「価電子0個」に直します。図3の2つの行は同じ原子について異なる問いに答えており、電子が8個消えたことを示してはいません。

別の誤りとして、2, 8, 8を「価電子の数」と読んでしまうことがあります。これは殻ごとの電子数の一覧です。価電子の数を求める欄には、希ガスかどうかを判定したうえで1つの整数を書きます。配置を書けたか、外側を選べたか、例外を適用できたかを順番に点検すると、間違えた場所が見つかります。

記述の採点では、数字が合っていても対象が曖昧だと説明が伝わりません。「外側は8」とだけ書く代わりに「M殻の最外殻電子は8個」と書けば、殻と対象を区別できます。価電子についても、希ガスの判定を添えると0個にした根拠が明確です。

殻の名前を1つずらす誤りにも注意します。K、L、Mの順を原子核から外向きにたどり、最初の円をK殻とします。電子の数が正しくても名前がずれれば、最外殻の指定が別の殻を指します。図と数字の両方を行き来して確かめてください。

自分で確かめる4問

次の原子はすべて電気的に中性です。電子配置はK殻から電子のある殻までの個数を順に整数で書き、個数も整数で答えてください。必要な原子番号は各問に示します。

1. 原子番号8の酸素について、電子配置と最外殻電子の数を求めてください。配置の合計も示してください。
2. 原子番号12のマグネシウムについて、電子配置と価電子の数を求めてください。最外殻の名前も答えてください。
3. 原子番号10のネオンについて、最外殻電子と価電子の数をそれぞれ求めてください。両者が違う理由を、希ガスと安定という語を使って説明してください。
4. 原子番号20のカルシウムについて、電子配置と最外殻電子の数を求めてください。M殻の次に入る殻の名前も答えてください。

答えと考え方

1. 酸素の電子は8個です。K殻に2個、残り6個をL殻に入れるので、配置は2, 6です。最外殻はL殻で最外殻電子は6個です。2 + 6 = 8個となり、与えられた原子番号に対応する総数に戻ります。

2. マグネシウムの電子は12個です。K殻に2個、L殻に8個を入れると、12 − 2 − 8 = 2個が残ります。配置は2, 8, 2、最外殻はM殻です。希ガスではないので価電子は2個です。2 + 8 + 2 = 12個と、元の電子数に戻ります。

3. ネオンの電子は10個で、配置は2, 8です。最外殻のL殻には8個あるため最外殻電子は8個、価電子は0個です。ネオンは希ガスで最外殻が満たされ安定しているので、価電子を0個と扱います。2 + 8 = 10個と、電子の総数も確かめられます。

4. カルシウムの電子は20個です。K殻に2個、L殻に8個、M殻に8個を入れると、20 − 2 − 8 − 8 = 2個残ります。次のN殻に2個入るので、配置は2, 8, 8, 2です。最外殻電子はN殻の2個です。2 + 8 + 8 + 2 = 20個となり、与条件に戻ります。M殻の最大収容数が18個であることと、ここで8個の次にN殻へ入ることは別に覚えます。

要点の置き場所

中性原子の電子数は原子番号と等しく、内側から殻に分けます。
最外殻電子は、電子の入った最も外側の殻で数えます。
希ガスの最外殻電子は存在しますが、価電子は0個と扱います。
配置の合計を元の電子数に戻して確かめます。

つまずきを見分けるには

配置の合計が原子番号と合わないときは、殻ごとの残数を追います。合計は合うのに最外殻電子を誤るなら、どの殻が最も外側かを指で示してから数えます。配置と最外殻電子が正しく価電子だけが異なるなら、希ガスの扱いを確認します。

個別指導で確かめる場合も、答えの数字だけでなく「何個をどの殻へ入れ、なぜそこを最外殻としたか」を説明してみてください。希ガスについては、電子があることと価電子を0個と扱うことを同時に言えるかが目印です。殻の位置と結合に関わる数を分けると、電子配置の答案に筋道が通ります。