銅イオンはなぜ＋２？

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　イオンに変わる時、１つだけ電子が移動する原子と、２つ移動する原子がある。ほとんどの場合、周期表の位置で納得できるのだが、銅のように＋２になる理由がわかりにくい原子もある。
　そこで、始めてイオンの勉強をする、中学生のための解説を考えた。前半は、一般的なイオンのでき方について書いており、後半で銅など「わかりにくい原子＝遷移元素」について説明した。

《原子がイオンに変わるしくみ》

　原子では、徒競走の選手がトラックを走るように、電子が原子核のまわりを回っている。徒競走と違うのは、１つのコースの中を複数の電子が走れるというところ。
　ひとつのコースに入れる電子の数が、コース毎に決まっていて、いちばん原子核に近い第１コースには２つ。次の第２コースには８個まで入れる。
　さらに、電子は内側のコースからつめて入らないといけないので、電子が３個の場合、第１コースを２個、第２コースを１個の電子が回ることになる。そのため、電子が３個あっても、第３コースには誰もいない。


　コース毎の電子の定員は、第１コースから外に向かって２個、８個、８個、１８個、１８個・・・これらの数字は、周期表の上から、同じ列に並んでいる元素の種類を数えたときの、２個、８個、８個、１８個、１８個・・・と一致している。

　電子の走るコースを知るには、シュレディンガー方程式をつかって計算するが、大変複雑でコンピュータを使っても、昔は答えが出るまでに１週間もかかっていたそうだ。

　そこで、計算の結果を簡単に表すためのルールがいくつか考え出された。１コースに２個、２コースより外には８個ずつ入る。電子はコースを内側から埋めて行く。というのが、もっともよく知られているルールだ。

　また、イオンのでき方や化学変化について考えるときは、一番外側のコースを回る電子の数が重要になることもわかった。だから、これらの電子には特別に最外殻電子という名前がつけられている。

　原子には、その最外殻電子の数を、定員とぴったり同じにしようとする性質があり、足りない電子を外から持ち込んだり、逆に余分な電子を外へ追い出したりする。

《周期表の左から１列目の原子》H,Li,Na,Kなど

ナトリウム原子の電子配置

　たとえば、ナトリウム原子（Na）では、電子の数が１１個なので、最外殻電子の数は１。このような場合、最外殻電子の数を８にするために、余分な１個を追い出すので、電気的には＋の電気が１つ多いNa^＋になる。

《周期表の左から２列目の原子》Be,Mg,Caなど

　たとえば、カルシウム原子（Ca）では、電子の数が２０なので、最外殻電子の数は２０−(２＋８＋８)で２個。このような場合も、余分な２個を追い出そうとするので、カルシウムイオンはCa^２＋になる。

《周期表の右から２列目の原子》F,Cl,Br,Iなど

塩素原子の電子配置

たとえば、塩素原子（Cl）では、電子の数が１７なので、最外殻電子の数は７。このような場合は、電子を１つ取り入れて８にしようとするので、電気的にはーのCl^ーになる。

《上から４列目の原子》
　４コース、５コースのように原子核から遠くなると、コースに入れる電子の数が増え、それらが互いに影響を及ぼし合うので、電子の配置はもっと複雑になる。

　４コースでは、同じコースの中がさらに３つの層に分かれており、各層には内側から１０個、２個、６個の電子がそれぞれ入ることができる。ところが、このコースでは、「電子は内側からつめる」のルールに反して、まん中の２個の層から先に電子が入り、次にその内側の１０個の層を電子が順に埋めていく。
　そのため、カリウム（K）とカルシウム（Ca）は、これまでのイオンのでき方と同じに考えて良いが、ScからZnまでは最外殻電子が２個のままなので、イオンもみんな＋２になる。銅イオンがCu^２＋となるのはこのためだ。ただし、元々が変則的なので、条件によっては、最外殻電子が３つあるような化学変化をする原子もあるので、ややこしい。

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