価電子

化学や物理学において、価電子とは原子の最外殻にある電子のことであり、最外殻が閉殻でない場合、化学結合の形成に関与することができる。単結合では、結合を構成する両方の原子がそれぞれ1つの価電子を提供することで、共有電子対が形成される。

価電子の存在は、元素の化学的性質、例えば価数（他の元素と結合できるかどうか、できる場合はどの程度容易に、いくつの元素と結合できるか）を決定する。このように、特定の元素の反応性は、その電子配置に大きく依存する。典型元素の場合、価電子は最外殻にのみ存在できる。遷移金属の場合、価電子は内殻にも存在できる。

価電子が閉殻構造（希ガス配置に相当）の原子は、化学的に不活性な傾向があります。閉殻構造よりも価電子が1つまたは2つ多い原子は、余分な価電子を取り除いて陽イオンを形成するのに必要なエネルギーが比較的低いため、反応性が非常に高くなります。閉殻構造よりも価電子が1つまたは2つ少ない原子は、不足している価電子を獲得して陰イオンを形成するか、価電子を共有して共有結合を形成する傾向があるため、反応性があります。

内殻電子と同様に、価電子も光子の形でエネルギーを吸収または放出する能力を持っています。エネルギーを得ると、電子は外殻へ移動（ジャンプ）することがあります。これは原子励起と呼ばれます。あるいは、電子は所属する原子の殻から飛び出すこともあります。これはイオン化と呼ばれ、正イオンを形成します。電子がエネルギーを失うと（その結果、光子が放出されます）、完全に占有されていない内殻へ移動することができます。

価電子殻とは、化学結合を形成するために電子を受け入れるのにエネルギー的にアクセス可能な軌道の集合のことである。

主族元素の場合、価電子殻は最外殻のn s およびn p 軌道から構成されます。遷移金属の場合は不完全な ( n −1)d 副殻の軌道が含まれ、ランタニドおよびアクチニドの場合は不完全な ( n −2)f および ( n −1)d 副殻が含まれます。関係する軌道は内殻の電子殻にある場合があり、特定の元素においてすべてが同じ電子殻または主量子数nに対応するわけではありませんが、すべて同様のエネルギーを持っています。^{[ 5 ]}

一般的に、主族元素（水素またはヘリウムを除く）は、 ^2p⁶の電子配置を形成するように反応する傾向があります。この傾向は、結合した各原子が共有電子を含めて8個の価電子を持つため、オクテット則と呼ばれます。同様に、遷移金属は、 10s²2p⁶の電子配置を形成するように反応する傾向があります。この傾向は^{、結合した各原子が共有電子を含めて18}個の価電子を持つため、¹⁸電子則と呼ばれます。

重い第2族元素であるカルシウム、ストロンチウム、バリウムも( n -1)d副殻を使用できるため、遷移金属と類似点がある。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

原子の価電子の数は、その結合挙動を決定します。そのため、原子の価電子の数が同じ元素は、特に価電子軌道の種類が同じである場合、元素の周期表で一緒にグループ化されることがよくあります。 ^{[ 10 ]}

最も反応性の高い金属元素は、第1族アルカリ金属（ナトリウムやカリウムなど）です。これは、このような原子が価電子を1つしか持たないためです。イオン結合の形成に必要なイオン化エネルギーが供給される際、この1つの価電子は容易に失われ、閉殻を持つ陽イオン（カチオン）（Na +^やK ⁺など）が形成されます。第2族アルカリ土類金属（マグネシウムなど）は、閉殻を持つ陽イオン（Mg2 ^+など）を形成するために各原子が2つの価電子を失う必要があるため、反応性はやや低くなります。

金属の各グループ（周期表の各列）内では、周期表の下の行（軽い元素から重い元素へ）に行くほど反応性が高くなります。これは、重い元素の方が軽い元素よりも電子殻の数が多いためです。重い元素の価電子は主量子数が高く（原子核から遠いため、ポテンシャルエネルギーが高くなり、結合力が弱くなります）、原子核との結合が弱くなります。

非金属原子は、価電子殻を完全に満たすために、追加の価電子を引き付ける傾向があります。これは、2 つの方法のいずれかで達成できます。原子は、隣接する原子と電子を共有する (共有結合) か、他の原子から電子を取り除く (イオン結合) かのいずれかです。最も反応性の高い非金属元素はハロゲン(フッ素(F) や塩素(Cl) など) です。このような原子は、s ² p ⁵という電子配置を持ち、閉殻を形成するには、追加の価電子が 1 つだけ必要です。イオン結合を形成するには、ハロゲン原子は他の原子から電子を取り除いて陰イオン (F ⁻、Cl ⁻など) を形成します。共有結合を形成するには、ハロゲンから 1 つの電子と他の原子から 1 つの電子が共有対を形成します (例えば、H–F 分子では、線は H と F からそれぞれ 1 つずつ共有された価電子対を表しています)。

周期表において、非金属元素の各グループ内では、価電子のエネルギーが徐々に高くなり、結合が弱くなるため、周期表の下の行（軽い元素から重い元素へ）に行くほど反応性が低下します。実際、酸素（第16族で最も軽い元素）は、ハロゲン元素ではありませんが、フッ素に次いで最も反応性の高い非金属元素です。これは、より重いハロゲン元素の価電子殻の主量子数が高いためです。

オクテット則が成り立つこのような単純なケースでは、原子の価数は、安定したオクテットを形成するために獲得、喪失、または共有された電子の数に等しくなります。しかし、例外となる分子も多く存在し、それらの原子の価数は明確に定義されていません。

価電子は、純粋な化学元素における結合にも関与しており、その電気伝導性が金属、半導体、絶縁体のいずれに特有のものであるかを決定する。

金属元素は一般的に固体状態では高い電気伝導性を示します。周期表の各周期において、金属は非金属の左側に位置するため、金属は非金属よりも価電子の数が少なくなります。しかし、金属原子の価電子はイオン化エネルギーが小さいため、固体状態ではこの価電子は比較的自由に1つの原子から離れ、近くの別の原子と結合することができます。この状態が金属結合の特徴です。このような「自由」電子は電場の影響下で移動することができ、その動きが電流を構成します。これが金属の電気伝導性の原因です。銅、アルミニウム、銀、金は良導体の例です。

非金属元素は電気伝導率が低く、絶縁体として振る舞います。このような元素は周期表の右側に位置し、価電子殻が少なくとも半分以上満たされています（ホウ素は例外です）。イオン化エネルギーが大きいため、電場が印加されても電子は原子から容易に離れることができず、したがって、このような元素は非常に小さな電流しか流すことができません。固体元素絶縁体の例としては、ダイヤモンド（炭素の同素体）と硫黄が挙げられます。これらは共有結合構造を形成し、共有結合が構造全体に広がっている場合（ダイヤモンドの場合）と、個々の共有結合分子が分子間力によって弱く引き合っている場合（硫黄の場合）があります。（希ガスは単原子のままですが、それらも分子間引力を受け、その引力は族を下るにつれて強くなります。ヘリウムの沸点は-269 ℃、ラドンの沸点は-61.7 ℃です。）  

金属を含む固体化合物も、金属原子の価電子がイオン結合を形成するために用いられる場合、絶縁体となることがある。例えば、単体のナトリウムは金属であるが、固体塩化ナトリウムは絶縁体である。これは、ナトリウムの価電子が塩素に移動してイオン結合を形成するため、その電子が容易に移動できないからである。

半導体は、金属と非金属の中間の電気伝導率を持ちます。また、半導体は金属とは異なり、温度の上昇とともに伝導率が上昇します。代表的な元素半導体はシリコンとゲルマニウムで、それぞれの原子は4つの価電子を持っています。半導体の特性は、価電子帯（絶対零度で価電子が存在する領域）と伝導帯（熱エネルギーによって価電子が励起される領域）との間のエネルギーギャップが小さいため、バンド理論を用いて最もよく説明できます。

1. フランシス、エデン。価電子。