族と周期

リチウム、ナトリウム、カリウムは同じ列にあり、三つとも最外殻の電子がちょうど一つです。

リチウムの小さなかけらを水に入れると、静かに泡を出します。ナトリウムは水面をすべるように動き、火がつくこともあります。カリウムはほとんどすぐに紫色の炎をあげます。三つの異なる金属が、同じ反応の三つの形を見せ、そのたびに激しくなっていきます。三つとも周期表の1族に、上下に並んでいます。列には似たふるまいの元素が集まり、列の中の順番から、どれがいちばん激しく反応するかがわかります。

族は最外殻の電子が共通

化学反応は原子の外側で起こります。二つの原子が出会うとき、渡したり、受けとったり、共有したりするのは、価電子とよばれるいちばん外側の殻の電子です。同じ典型元素の族の元素は、価電子の数が同じです。1族の原子は1個、2族は2個、pブロックでは族の番号から10をひいた数で、13族は3個、17族は7個、18族は8個です。ヘリウムは例外で、2個で第一殻がいっぱいになっています。

最外殻の電子がそろっているので、化学的性質もそろいます。1族の金属はどれも塩素と一対一の比で化合物をつくります。LiCl、NaCl、KClです。2族の金属はどれも塩素原子が二つ必要です。MgCl₂、CaCl₂です。族の中の一つの元素をよく知れば、ほかの元素についてもよい見当がつけられます。モデルの凡例を使うとなかまを一つずつ光らせられるので、それぞれがどこにあるかがわかります。

周期が一つ進むと殻が一つ増える

周期の番号は、使われている電子殻の数を表します。ナトリウムは第3周期にあり、11個の電子は 2, 8, 1 と並んでいます。殻は三つです。一行下の第4周期にあるカリウムは19個の電子が 2, 8, 8, 1 と並び、殻は四つです。周期を横に進むと、元素ごとに陽子と電子が一つずつ増え、新しい電子はふつう、その殻がいっぱいになるまで同じ最外殻に入ります。それから次の周期が新しい殻で始まります。

これで、カリウムがナトリウムより激しく反応する理由もわかります。カリウムのただ一つの最外殻電子は原子核から殻一つ分遠く、より多くの内側の電子にさえぎられているので、引きつける力が弱く、失われやすいのです。1族を下へ進むと、一段ごとに殻が一つ増え、一段ごとに金属は反応しやすくなります。下のほうにあるセシウムは、水に入れると爆発します。

いくつかの族には、何度も出てくるなかまの名前があります。1族（水素を除く）はアルカリ金属、2族はアルカリ土類金属、17族はハロゲン、18族は貴ガスです。3族〜12族をまとめて遷移金属といいます。遷移金属では最外殻の電子の数え方はそれほどすっきりしません。最外殻は一個か二個のまま、内側のd殻に電子が加わっていくからです。そのため、同じ周期に並ぶ鉄、コバルト、ニッケルは、典型元素の族の元素が横の隣どうしで似ているよりも、ずっとよく似ています。

カードの電子配置

モデルのカードには、各元素の電子配置が短い形で示されています。ナトリウムは [Ne]3s¹ です。かっこの部分は「ネオンと同じ内側の電子」という意味で、3s¹ は第三殻のs軌道に電子が一つあるという意味です。塩素は [Ne]3s² 3p⁵ で、第三殻の電子は合わせて7個です。17族の元素はどれも s² p⁵ で終わるので、とてもよく似たふるまいをします。これらの文字列を暗記する必要はありませんが、最後の部分が列を下へくり返していることを知っておくと役立ちます。