周期1の要素

第1周期の元素は、 化学元素の周期表の最初の行 (または周期)にある化学元素の 1 つです。周期表は、原子番号が増加するにつれて元素の化学的挙動に周期的な (繰り返される) 傾向を示すために行に配置されています。化学的挙動が繰り返され始めると新しい行が開始され、類似の元素が同じ縦の列に配置されることを意味します。第 1 周期には、表の他のどの行よりも少ない元素しか含まれておらず、水素とヘリウムの 2 つだけです。この状況は、原子構造の現代の理論によって説明できます。原子構造の量子力学的記述では、この周期は1s 軌道の充填に対応します。第 1 周期の元素は、価電子殻を完成させるために2 つの電子を必要とするデュエット規則に従います。 

水素とヘリウムは、宇宙で最も古く、最も豊富に存在する元素である。

周期表の他の周期には少なくとも8つの元素が含まれており、周期全体にわたる周期的な傾向 を考慮することはしばしば役立ちます。しかし、第1周期には2つの元素しか含まれていないため、この概念はここでは当てはまりません。

グループを下る垂直方向の傾向に関して言えば、ヘリウムはIUPACグループ18の先頭にある典型的な希ガスと見なすことができますが、後述するように、水素の化学的性質は独特であり、どのグループにも簡単に割り当てることはできません。^{[ 1 ]}

最初の電子殻（n = 1）は1つの軌道のみで構成され、周期1の元素が収容できる価電子の最大数は2つで、両方とも1s軌道にあります。価電子殻には、量子数に関する一般的なl < nの制約 により、「p」軌道やその他の種類の軌道がありません。したがって、周期1にはちょうど2つの元素があります。水素とヘリウムはどちらもsブロックに属していますが、どちらも他のsブロック元素と同様の振る舞いをしません。その振る舞いは他のsブロック元素とは非常に異なるため、これら2つの元素を周期表のどこに配置すべきかについてかなりの意見の相違があります。 

電子配置に従うと、水素（電子配置 1s ¹）とヘリウム（1s ^{2 ）は、リチウム（1s 2} 2s ¹）とベリリウム（1s ² 2s ² ）の上に、それぞれ第 1 族と第 2 族に配置されるはずです。^{[ 2 ]}このような配置は水素では一般的ですが、電子配置を示す文脈以外ではヘリウムにはほとんど使用されません。通常、水素は第 1 族に、ヘリウムは第 18 族に配置されます。これは IUPAC 周期表で見られる配置です。^{[ 3 ]}これらの点については、多少のバリエーションが見られます。^{[ 4 ]}

第 1 族金属と同様に、水素は最外殻に 1 つの電子を持ち^{[ 2 ]}、通常は化学反応で唯一の電子を失います。^{[ 5 ]}水素は金属のような化学的性質をいくつか持ち、塩からいくつかの金属を置換することができます。^{[ 5 ]}しかし、水素は標準状態では二原子非金属ガスを形成し、反応性の高い固体金属であるアルカリ金属とは異なります。このことと、水素が電子を獲得して水素化物を形成することから、水素は同様の性質を持つハロゲンの性質に近くなります^{[ 5 ]} (ただし、水素が H ^{− を}形成することはH ⁺を形成することよりもまれです)。^{[ 6 ]}さらに、最も軽い 2 つのハロゲン (フッ素と塩素) は、標準状態では水素と同様に気体です。^{[ 5 ]}水素のいくつかの性質はどちらのグループにも当てはまりません。水素は強い酸化力も強い還元力もなく、水と反応しません。^{[ 6 ]}水素はアルカリ金属とハロゲンの両方の性質を持つが、どちらのグループにも完全には一致しないため、化学的に位置づけるのが難しい。^{[ 5 ]}そのため、水素の電子配置は第 1 族が主流であるが、まれな配置では、水素が第 17 族にある場合^{[ 7 ]} 、第 1 族と第 17 族の両方に水素が重複して存在する場合^{[ 8 ] [ 9 ]}、またはすべてのグループから離れて浮遊している場合^{[ 9 ] [ 10 ] [ 4 ]}水素を「浮遊」させる可能性は、エリック・スチェリによって批判されており、すべてのグループから水素を取り除くことは周期律から除外されることを示唆しており、すべての元素はその法則に従うべきであると指摘している。^{[ 11 ]}イオン化エネルギー、電子親和力、電気陰性度の傾向に基づいて、第 13 族や第 14 族など、水素のより珍しい配置を提唱する著者もいる。^{[ 6 ]}

ヘリウムは標準状態では反応性の低い希ガスであり、最外殻電子が満たされています。これらの性質は第18族の希ガスに似ていますが、第2族の反応性の高いアルカリ土類金属とは全く異なります。そのため、ヘリウムはほぼ例外なく第18族に分類されます^{[ 3 ]}。これは、ヘリウムの性質が最もよく一致するためです^{[ 4 ]}。しかし、ヘリウムは最外殻電子が2個しかないのに対し、他の希ガスは8個あります。また、ヘリウムはsブロック元素ですが、他の希ガスはすべてpブロック元素です。さらに、固体ヘリウムは六方最密充填構造で結晶化しますが、これは第2族のベリリウムやマグネシウムとは一致しますが、第18族の他の希ガスとは一致しません^{[ 12 ]。}このように、ヘリウムはアルカリ土類金属によりよく一致します^{[ 2 ] [ 4 ]。}そのため、水素とヘリウムの両方がすべての族から外れている周期表はまれにしか見られません^{[ 10 ] [ 4 ] 。}

ヘンリー・ベントなどの数人の化学者は、ヘリウムの電子配置を第2族に採用することを提唱している。^{[ 13 ] [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}この配置は、チャールズ・ジャネットの左ステップ表にも見られる。この主張の根拠は、多くの場合、第1行異常傾向（s >> p > d > f）に基づいている。これは、各族の最初の元素は、後続の元素とはかなり異なる振る舞いをすることが多いというものである。その差はsブロック（HとHe）で最大、pブロック（BからNe）で中程度、dブロックとfブロックではそれほど顕著ではない。^{[ 13 ]}したがって、アルカリ土類金属の前に最初のs ²元素として存在するヘリウムは、最初の希ガスとしてのヘリウムとは異なり、異常な存在として際立っている。^{[ 13 ]}正規化されたイオン化ポテンシャルと電子親和力は、第 18 族よりも第 2 族のヘリウムの方がより良い傾向を示しています。ヘリウムはネオンよりもわずかに反応性が高いと予想されています (これは、重いほど反応性が高いという希ガスの一般的な反応性の傾向を破っています)。また、予測されるヘリウム化合物は、理論的にもネオン類似体が存在しないことが多いですが、ベリリウム類似体が存在することもあります。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

• ブロッホ、DR（2006）。有機化学の解明。マグロウヒル・プロフェッショナル。ISBN 0-07-145920-0。