答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ　　


問I

　iの答

　第1イオン化エネルギーは気体相中の孤立原子から 1個の電子を遊離するのに必要とされる最小エネルギーである。


　●　第1イオン化エネルギーは気体相中の孤立原子から 1個の電子を遊離するのに必要とされる最小エネルギーである。書き換えると, それは次のプロセスでのエネルギーである ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　E(g) → E⁺(g) + e^-(g)

　ここで E は元素を表わしている。その値は通常原子 1モルについて引用される。たとえば, 水素での値は 1312 kJ mol^-1, そしてナトリウムでの値は498 kJ mol^- である。

　全てのイオン化エネルギーは正であり, その理由は, それは常に 1個の電子を遊離するのに必要とされるからである。原子番号に対するイオン化エネルギーのプロットは電子の殻や副殻の存在の証しを確かなものにする。


QI

　Answer of i

　The first ionization energy is the minimum energy required to remove one electron from an isolated atom in the gas phase.


　●　The first ionization energy is the minimum energy required to remove one electron from an isolated atom in the gas phase. In the other word, it is the energy for the process ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　E(g) → E⁺(g) + e^-(g)

　where E represents an element. The value is usually quoted per mole of atoms. For example, the value for hydrogen is 1312 kJ mol^-1, and the value for sodium is 498 kJ mol^-1.

　All ionization energies are positive because it always requires to remove an electron. A plot of ionization energy against atomic number provides compelling evidence for the existence of electron shells and subshells.


　iiの答　　　　　　　　　Si⁺(g) → Si²⁺(g) + e^-(g)


　Answer of ii　　　　Si⁺(g) → Si²⁺(g) + e^-(g)


　iiiの答

　ケイ素の最外殻は3s²3p²によって形成された4つの等価な混成軌道 sp³ から成り立っている。ケイ素原子の sp³ から 1 から 4 までの電子を継続的に除去すると, その同じ殻中の電子は互いに電気的遮蔽の影響を徐々に弱め, 一方において, 核との吸引の相互作用をより強くする。結果として, イオン化エネルギーが徐々に増加する。


●　1つの原子から次々と除去される電子のイオン化エネルギーのプロットは詳細な殻の存在を明確にする。

●　今, 1つのケイ素原子から 1 から 4 までの電子の段階的除去を考慮すると, 上のプロット(image596)に示されるようにイオン化エネルギーの漸進的増加が存在する。

　同じ等価な殻sp³(3s²3p²による混成軌道)からの継続的な電子の除去に対して, 原子核の正の電荷は変化しないが, 電子の負の電荷は減少し同じ殻中の電子は互いに電気的遮蔽の影響を弱める。

　このことは次のことを意味する。同じ殻中の電子間の反発力はより弱くなるが電子と核間の引力はより大きくなり, 電子を核に少し近づける。したがって, 電子のイオン化エネルギーはより多くなった。

　イオン化エネルギーが大きくなった殻中のもう 1つの電子を取り除くことは難しい。さらに, 殻中の 1つの電子を除去した後, 継続的に第2番目から第4番目の電子を除くことは最初より困難となる。

　結果として, 同じ殻中の電子のイオン化エネルギーは徐々に増加する。


　Answer of iii

　The outermost shell of silicon consists of 4 numbers of equivalent sp³ hybrid orbital formed by 3s²3p². Consider removing successive electrons, 1 to 4, from sp³ of a silicon atom, so electrons in the same shell gradually weakens the influence of electric shield each other, on the other hand, make greater attractive interactions with the nucleus. As a result, the ionization energies increase gradually.


●　A plot of the successive ionization energies against the electrons removed from an atom provides evidence for the existence of shells of details.

●　Now, consider at step-by-step removing the electrons, 1 to 4, from a silicon atom, and so there is the gradual increase in the ionization energies as shown in the plot(image596) above.

　For moving successive electrons from the same equivalent shell, sp³(hybrid orbital by outermost shell 3s²3p²), the positive charge of the atomic nucleus does not change, but the negative charge of the electrons decreases and so electrons in the same shell weakens the influence of electric shield each other.

　This means that the repulsive force between the electrons in the same shell becomes weaker but the attractive force between the electrons and the nucleus greater, getting the electrons a little closer to the nucleus. Accordingly, the ionization energies of electrons have become greater.

　It is difficult to remove another electron in the shell whose ionization energy has become greater. Moreover, after having removed an electron in the shell, removing successive the second to fourth electrons becomes harder than the first.

　As a result, the ionization energies of the electrons in the same shell increase gradually.


　ivの答　

　ケイ素原子の電子構造は ₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p² である。そこで, その理由は, 最外殻から順を追って除去される第5番目の電子は, 核の吸引電荷に近い, 内殻の n = 2 から出てくるからである。


●　1つの原子から次々と除去される電子のイオン化エネルギーのプロットは詳細な殻の存在を明確にする。

　例として, ナトリウム原子 (₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹) から全ての 11個の電子の除去をみると, 1番目と 2番目の電子除去と 10番目と 11番目の電子除去の間に必要とされるエネルギーの両方において, 顕著な増加がある。

●　これらの観察は, 除去される電子が, 核の吸引する電荷に近い新しい殻から取り出されるときにエネルギー増加が生じる。

●　このパターンは, ナトリウムにおいて最外側の n = 3 殻が 1個の電子を含み, n = 2 の殻が 8個の電子を含み, 最も内側の n = 1 の殻には 2個の電子が残留している。


　Answer of iv

　 The electronic structure of a silicon atom is ₁₄Si 1s²2s²2p⁶3s²3p². So the reason is that the fifth electron of silicon being successively removed from the outermost shell comes from the inner shell, n = 2, closer to the attractive charge of the nucleus.


●　A plot of the successive ionization energies against the electrons removed from an atom provides evidence for the existence of shells of details.

　Look, for example, at removing all 11 electrons from a sodium atom (₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹), there is a significant increase in both of energies needed between removing the first and second and the ninth and tenth electrons.

●　These observations suggest that the increases in energies occur when the electron being removed has to come from a new shell, closer to the attractive charge of the nucleus.

●　The pattern shows that the outermost n = 3 shell of sodium contains one electron, and the n = 2 shell has eight electrons, leaving two electrons in the innermost n = 1 shell.


問II


　iの答

　　　SiO₂ ： 巨大共有結合固体.　　　SiCl₄ ： 四面体分子.


●　金属やイオンの固体は静電気力で空間に位置するイオンから成り立っている。対称的に, 共有結合固体は, 全構造にわたって伸びている共有結合で占められている網の目状の原子から成り立っている。この物質は巨大共有結合固体と呼ばれている。

　よく挙げられる例は, ダイヤモンド, 黒鉛やシリカである。巨大共有結合固体はまた時折りマクロ分子と呼ばれており, 含まれる分子の巨大サイズを意味している。

●　巨大共有結合固体は1種以上の原子をふくむことができる。砂はほとんど二酸化ケイ素から成り立ち, またシリカと呼ばれ, その化学式は普通 SiO₂ と書く。この化学式は関連する原子の最も簡単な比を表わしている。シリカはダイヤモンドに似た構造の巨大共有結合固体である。

　その構造(いわゆる, 強い共有結合で, 無イオンで, 無自由電子)のために, シリカは硬く, 高融点で, 水に不溶で, そして電気を通さない。


●　四塩化ケイ素は離ればなれの分子として存在する。中心元素, Si, は4つの単結合で4つの塩素原子と結合している。その分子の形は四面体のSiCl₄である。

●　四塩化ケイ素の分子間に作用する力は分散力で非常に弱く, 共有結合の強さのせいぜい5%であり, 分子内の瞬間的な電子の不均一分布から生じる。

●　分散力は関係する分子の増加 で(直接的に比例して)大きくなる。極性は外的電場の中で電子密度がどの位の容易さで歪められるかで測定される ； 例えば, 極性は一般に分子の表面積と存在する電子数で増大する。

●　粒子間の力いわゆる結合の強さは結合を切断するのに必要な 1モルについてのエネルギーとして表わされ, その粒子から成る物質の融点や沸点に大きな影響を与える。


QII


　Answer of i

　　　　　SiO₂ ： Giant covalent solid.　　　SiCl₄ ： Tetrahedral molecule.


●　Metallic and ionic solids are made up of ions in place by electrostatic forces. In contrast, some covalent solids consist of networks of atoms, held in place by covalent bonds, that stretch throughout the whole structure. These substances are called giant covalent solids.

　Familiar examples include diamond, graphite, and silica. Giant covalent solids are sometimes also called macromolecules to reflect the immense size of the molecule involved.

●　Giant covalent solids can contain more than one sort of atom. Sand consists mostly of silicon dioxide, also, called silica, whose formula is usually written as SiO₂. This formula gives the simplest ratio of the atoms concerned. Silica is a giant covalent solid with a structure similar to that of diamond.

　Because of its structure (i.e. strong covalent bonds, no ions, and no free electrons), silica is hard, has a high melting point, does not dissolve in water, and does not conduct electricity.


●　Silicon tetrachloride exists as discrete molecules. The central element, Si, is attached to four chlorine atoms by four single covalent bonds. The shape of the molecule is tetrahedral, SiCl₄.

●　The forces operated between molecules of silicon tetrachloride are dispersion forces which are very weak, less than 5 % of the strength of a covalent bond, resulting from an instantaneous uneven distribution of electron density within molecules.

●　The dispersion forces increase with (and are directly proportional to) increasing polarization of the molecule concerned. Polarizability measures how easily the electron density is distorted when subjected to an external electric field. It depends on a number of factors ； for example, polarizability generally increases with the surface area of the molecule and the number of electrons present.

●　The strength of forces or bonds between particles are expressed as the energy per mole required to break the bonds, and has a great effect on melting point and boiling point of substance, consisted of the particles.


　iiの答

　粒子から成り立つ物質の融点は主として物質内の粒子間の力の強さに依存する。

　巨大共有結合分子, SiO₂, は網の目状の原子から成り立ち, 強い共有結合で空間を保持している。一方, 四塩化ケイ素, SiCl₄, はバラバラの分子として存在する。その分子間の力は弱い分散力である。結果として, SiO₂の融点, 1610 ℃ > SiCl₄の融点, -70 ℃。


　Answer of ii

　Melting point of a substance, consisted of particles, depends mainly on the strength of force between particles in a substance.

　Giant covalent molecule, SiO₂, consists of networks of atoms, held in place by strong covalent bonds. On the other hand, Silicon tetrachloride, SiCl₄, exists as discrete molecules. The forces between the molecules are a dispersion force which is weak. As a result, mp. of SiO₂, 1610 ℃ > mp. of SiCl₄, -70 ℃.