対角線のルール：それが何であるかと例 - 化学

対角線の法則は、各軌道またはエネルギーレベルのエネルギーに応じて、原子またはイオンの電子構成を記述することを可能にする構築原理です。この意味で、各原子の電子分布は一意であり、量子数によって与えられます。

これらの数値は、電子が配置される可能性が最も高い空間（原子軌道と呼ばれます）を定義し、それらを記述します。各量子数は、原子軌道のプロパティに関連しています。これは、原子内およびエネルギー内の電子の配置によって原子システムの特性を理解するのに役立ちます。

同様に、対角線のルール（Madelungのルールとも呼ばれます）は、化学種内での挙動を正確に説明するために、電子の性質に従う他の原則に基づいています。

それは何のため？

この手順は、原子への陽子の（1つずつ）の統合の過程で、化学元素が構成されると、電子も原子軌道に追加されると述べているアウフバウの原理に基づいています。

これは、原子またはイオンが基底状態にあるとき、電子はそれらのエネルギーレベルに応じて原子軌道の利用可能な空間を占めることを意味します。

軌道を占有することにより、電子は最初にエネルギーが低く、占有されていないレベルに配置され、次に、エネルギーが最も高いレベルに配置されます。

同様に、このルールは、元素化学種の電子配置をかなり正確に理解するために使用されます。つまり、基本状態にあるときの化学元素です。

したがって、電子が原子内に存在する構成を理解することにより、化学元素の特性を理解できます。

この知識を習得することは、これらの特性を推定または予測するために不可欠です。同様に、この手順によって提供される情報は、周期表が元素の調査と非常によく一致する理由を説明するのに役立ちます。

この規則は基底状態の原子にのみ適用されますが、周期表の元素に対しては非常にうまく機能します。

同じ原子に属する2つの電子は4つの等しい量子数を持つことができないと述べるパウリの排他原理に従います。これらの4つの量子数は、原子で見つかった各電子を表します。

したがって、主量子数（n）は、調査対象の電子が位置するエネルギーレベル（またはシェル）を定義し、方位角量子数（ℓ）は角運動量に関連し、軌道の形状を詳しく示します。

同様に、磁気量子数（_mℓ）は、この軌道が空間で持つ方向を表し、スピン量子数（m _s）は、電子が自身の軸の周りに示す回転の方向を表します。

さらに、フンドの法則は、サブレベルで最大の安定性を示す電子配置は、平行な位置でより多くのスピンを持つものと見なされることを表しています。

これらの原則に従うことにより、電子の分布が以下に示す図に準拠していることがわかりました。

この画像では、エネルギーレベルに応じて、nの値は1、2、3、4、…に対応しています。そして、ofの値は0、1、2、3…で表されます。これは、それぞれ、p、d、fと同等です。したがって、軌道内の電子の状態はこれらの量子数に依存します。

この手順の説明を考慮して、そのアプリケーションのいくつかの例を以下に示します。

そもそも、カリウム（K）の電子分布を取得するには、その原子番号（19）がわかっている必要があります。つまり、カリウム原子の核には19個の陽子があり、19個の電子があります。図によると、その構成は1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹として与えられます。

多電子原子の構成（構造内に複数の電子を持つ）は、原子の前の希ガスとそれに続く電子の構成としても表されます。

たとえば、カリウムの場合、周期表でカリウムの前の希ガスがアルゴンであるため、4s ¹とも表されます。

別の例ですが、この場合は遷移金属ですが、核（Z = 80）に80個の電子と80個の陽子を持つ水銀（Hg）の例です。構築スキームによると、その完全な電子構成は次のとおりです。

1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ¹⁴ 5d ¹⁰。

カリウムと同様に、水銀の構成は4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6s ²として表すことができます。これは、周期表でそれに先行する希ガスがキセノンであるためです。

対角線の法則は、基本状態にあり、電荷がゼロの原子にのみ適用されるように設計されています。つまり、周期表の要素と非常によく結合しています。

ただし、想定される電子分布と実験結果の間に重要な偏差があるいくつかの例外があります。

この規則は、電子がサブレベルにあるときの電子の分布に基づいており、n +ℓ規則に従います。これは、n + lleの大きさが小さい軌道が、このパラメーターの大きさが大きい軌道の前に満たされることを意味します。

例外として、元素のパラジウム、クロム、銅が示されていますが、その電子構成は、観察されたものと一致しないと予測されています。

この規則によれば、パラジウムは5s ² 4d ^8に等しい電子分布を持つ必要がありますが、実験では4d ¹⁰に等しいものが得られました。これは、この原子の最も安定した構成が4dサブシェルがいっぱいのときに発生することを示しています。つまり、この場合はエネルギーが低くなります。

同様に、クロム原子は次の電子分布を持つ必要があります：4s ² 3d ⁴。ただし、実験的には、この原子が4s ¹ 3d ^5の配置を取得することがわかっています。これは、両方のサブシェルが部分的に満たされると、より低いエネルギーの状態（より安定した状態）になることを意味します。