第 3 周期のある元素 の原子について、電子を 1 個ずつ取り去るときに必要なエネルギー（逐次イオン化エネルギー）を調べたところ、次のようになった。
- 第 1 イオン化エネルギー：
- 第 2 イオン化エネルギー：
- 第 3 イオン化エネルギー：
- 第 4 イオン化エネルギー：
の原子が、価電子をすべて失って貴ガスと同じ電子配置の陽イオンになるとき、そのイオンの価数を求めよ。
イオン化エネルギーと価数の判定
逐次イオン化エネルギーの急に大きくなるところから、価電子の数とイオンの価数を判定できる
前提
- 単原子イオンと貴ガス型の電子配置 （高校化学 物質の構成と化学結合）
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- 原子・分子と化学式 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 原子の構成と質量数 （高校化学 物質の構成と化学結合）
- 電子殻と電子配置 （高校化学 物質の構成と化学結合）
- 単原子イオンと貴ガス型の電子配置 （高校化学 物質の構成と化学結合）
説明
原子から電子を 1 個ずつ取り去るときに必要なエネルギー（逐次イオン化エネルギー）の値の並びを見ると、ある所で前の値に比べて特に大きく増えるところがあります。その位置から、その原子の価電子の数を判定でき、第 2・第 3 周期の典型元素の金属元素なら、陽イオンになるときの価数もわかります。元素名がわからなくても、イオン化エネルギーの表だけから、その元素が何族の元素かを推定するときに使います。
なぜそうしてよいのか
気体の原子から電子を 1 個取り去って 1 価の陽イオンにするのに必要なエネルギーを第一イオン化エネルギー、その 1 価の陽イオンからさらに 1 個取り去るのに必要なエネルギーを第二イオン化エネルギー、と呼び、以下同じように第三、第四…と続けます。これらをまとめて逐次イオン化エネルギーといいます。
電子を取り去るたびに、残った電子の数は減るのに原子核の正の電荷は変わらないので、残った電子はより強く引きつけられます。そのため、逐次イオン化エネルギーは第一、第二、第三…と必ず大きくなっていきます。同じ電子殻から電子を取る間でも、前の値の 1.3 倍から 3 倍ほどに増えることがあります。ところが、最外殻の電子（価電子）をすべて取り去ったあと、次の電子は 1 つ内側の電子殻から取り去ることになります。内側の電子殻は原子核に近く、電子はずっと強く引きつけられているので、ここでは同じ殻の中での増え方よりもさらに大きく増えます（前の値の 4 倍前後から 10 倍近くになることが多い）。
つまり、「第 イオン化エネルギーから第 イオン化エネルギーへの増え方（比）がいちばん大きい」なら、内側の殻に入る前に取り去れる電子は 個、すなわち価電子は 個です。第 2・第 3 周期の典型元素の金属元素（Li、Be、Na、Mg、Al など）では、 個を失ったイオンは 1 つ内側の電子殻が最外殻になって貴ガスと同じ電子配置になるので、 価の陽イオンになりやすいと判定できます。一方、非金属元素（C、N、O、F、Cl など）は、価電子の数は同じ方法で判定できますが、陽イオンにはなりにくく、O が 、Cl が になるように価電子の数と価数は一致しません。
手順
第一、第二、第三…のイオン化エネルギーを順に並べる。
となりどうしの比（第 ÷ 第 ）をすべて計算し、比がいちばん大きいところを選ぶ。
比がいちばん大きいところと 2 番目のところが近い（どちらも 3〜4 倍ほど）など判断しにくいときは、となりどうしの差（第 − 第 ）も計算し、差もいちばん大きいところを選ぶ。内側の殻に入るところでは、比も差もとびぬけて大きくなる。
いちばん大きく増えるのが第 と第 の間なら、価電子の数は 個と判定する。
第 2・第 3 周期の典型元素の金属元素なら、陽イオンの価数は 価とする。必要なら、原子番号から を引いてイオンの電子の数を求め、貴ガス型の電子配置になっていることを確かめる。
例題
第 3 周期の金属元素 X の原子の逐次イオン化エネルギー〔kJ/mol〕は、第一から順に 、、、、 である。X が貴ガスと同じ電子配置の陽イオンになるとき、その価数を求めよ。
例題の解答
手順 1: 値を順に並べると 。
手順 2: となりどうしの比を計算する。
- 第二 ÷ 第一:
- 第三 ÷ 第二:
- 第四 ÷ 第三:
- 第五 ÷ 第四:
いちばん大きいのは第四 ÷ 第三の である。
手順 3: 2 番目に大きい第二 ÷ 第一の とあまり離れていないので、差も確かめる。
- 第二 − 第一:
- 第三 − 第二:
- 第四 − 第三:
- 第五 − 第四:
差も第三と第四の間がとびぬけて大きい（ほかは数千 kJ/mol 以下）。第一から第二への 倍は、同じ殻の中での増え方である。
手順 4: いちばん大きく増えるのが第三と第四の間なので、価電子は 3 個である。
手順 5: X は第 3 周期の金属元素なので、3 価の陽イオンになる。（X は第 3 周期で価電子 3 個なので Al（原子番号 13）であり、 の電子は 個で Ne と同じ電子配置になっている。）
答え:
よくある誤り
いちばん大きく増えた値の番号をそのまま価電子の数にしてしまう誤り。例の表で第四イオン化エネルギー で大きく増えたからといって価電子を 4 個とするのは誤り。正しくは、増える直前までの第一〜第三の 3 個が価電子で、価数は 3。
最初に見つけた大きめの比を内側の殻に入るところと判断してしまう誤り。同じ殻の中でも値は増え、例の第一→第二のように 倍になることもある。比をすべて計算して最大のところ（例では ）を選び、近いときは差（ と ）も比べて判断する。
非金属元素にも「価電子 個なら 価の陽イオン」を当てはめてしまう誤り。たとえば O は第六と第七の間で大きく増えて価電子は 6 個とわかるが、6 価の陽イオンにはならず、電子を 2 個受け取って になる。価電子の数＝陽イオンの価数としてよいのは、第 2・第 3 周期の典型元素の金属元素のときである。
イオンの電子の数を、原子番号に価数を足して求めてしまう誤り。陽イオンは電子を失ってできるので、正しくは（原子番号）（価数）。例では 個。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。