炎色反応は金属を燃焼させたときに金属特有の発色を呈する現象のことで、中学校の理科で勉強します。本サイトでは実際に炎色反応を行った実験の様子を以下の記事で公開しています。らい・ぶらり【高校理科】身近な材料でできる炎色反応実験http://shimaphoto03.com/science/flame/資料請求番号:TS22炎色反応とは、金属を燃焼させたときに、金属特有の発色が現れる現象です。中学校や高校の理科で取り扱われており、金属の名前と色を暗記してテストに挑んだ記憶のある方もいらっしゃるでしょう。習う電子配置図はいいかげん!!?ストーク高校化学では、以下のような図を使って「ナトリウムの電子配置は合計11個の電子がK殻に2つ、L殻に8つ、M殻に1つ配置されている」という習い方をする。ストーク実はこれだけでは、ナトリウムの炎色反応の厳密な説明はできん。シママえ~??そうなの?だって、熱エネルギーで電子が高いエネルギーになって、それが元に戻ることで発光するって説明だったじゃない。電子はM殻からN殻に移動したんじゃないの?ストーク実はN殻じゃなしに、同じM殻内のエネルギーの高いところに遷移したと考える方が妥当たいね。いう考え方が必要になってくる。シママますますわかんない・・・。hνで表現したとき、589nmつまり黄色の波長の光になるから、ナトリウムの炎色反応は黄色といえる。電子の正しい姿を理解しようストーク高校化学では、中心に原子核があって、円周状に電子があって・・・という原子の構造の習い方をするが、現実はそんなに単純ではない。原子における電子の振る舞いはシュレディンガーの波動方程式を解いて理解しなければならない。らい・ぶらりシュレディンガー方程式の意味と電子軌道の計算http://shimaphoto03.com/science/sch-equ/資料請求番号:TS81シュレディンガー方程式を解いて電子軌道を求める電子の軌道には1s,2s,・・と言った名前がついていて、その中に電子が2個入るというように無機化学やら物理化学の授業で習ったかと思います。私のブログでも電子軌道の考え方を使って物質が光を吸収...シママえ~?電子って太陽系みたいに原子核を中心として円周状にくるくる回っているんじゃなくて、このsとかpとかdとかいう軌道に沿って存在しているってこと?ストークせやせや。それでな、シュレディンガー方程式を解くと、解が連続じゃなしに飛び飛びの関数になっていることがわかるたい。これすなわち、電子のエネルギーは連続じゃなしに飛び飛びの値をとることを意味しているたい。これを「量子化されている」という。ストーク厳密に数学で理解しようとすると難しいけん、こんな風に感覚で理解してはどんな?1K殻は主量子数1、L殻は2、M殻は3・・・と続く2方位量子数lは主量子数の数だけ存在できる。(0,1,2,・・・n-1)3磁気量子数は-l~lだけ存在する。シママ方位量子数l=0がs軌道で、l=1がp軌道で・・って感じ?ストークせやせや。すると1s,2s,2p,3s,3p,3d・・・という順番でエネルギーが高くなっていくことがわかるやろ?シママえっと・・・。一方で、L殻に相当する主量子数2ではl=0とl=1があるから、2sと2pがあるのか・・・。主量子数3だとl=0,1,2があるから3s,3p,3dがあって・・・ってことね。それで、3を考えるとl=1に相当するp軌道は磁気量子数m=-1,0,1をとる。すると2p軌道というのは3種類存在することになる。ストーク以上を踏まえたうえで、もう一回ナトリウムの電子配置図を見てみる。さっきよりはわかりやすい感じするやろ?シママまぁ、そうだけど・・・。上矢印と下矢印はなに?ストークそれはスピン量子数いうて、+1/2の値と-1/2の値をとる。電子の自転の向きを現している。1s,2s,2p・・・と続くそれぞれの軌道には自転の向きを異とする二つの電子が存在すると考えるとええかな。シママ1sの軌道に3個以上の電子は存在できないの?ストークお、ええこと気づいたな。スピン量子数がすべて同じになっている電子2個以上は存在できない。このことをパウリの排他原理という。すべて同じで、スピン量子数が+1/2と-1/2の2つの電子しか存在しえないたい。シママそのスピン量子数ってのが上矢印と下矢印で表現されているのね・・・。ストークそういうこと。炎色反応の色を量子化学的に理解する励起と発光ストークまたナトリウムの電子配置図を見てみよう。シママ電子が3sから3pに移動して、それが元に戻るときに589nmの光、すなわち黄色を発するのね。3sから3pに移動することを「電子が遷移する」という。エネルギーの高い軌道へ移動することを「電子が励起する」という。