鉄イオンにはなぜ２価（2+）と３価（3+）と２つあるのでしょうか？
鉄イオン２価と３価でそれぞれの時放出する電子の違いは？
鉄イオン価数なぜ２価と３価？違いは？
鉄イオン価数なぜ２価と３価があるのかというと、まず鉄がイオンかする際、最外殻であるＮ殻の２個じゃなくＭ殻から電子を放出していきます。
Fe原子はＭ殻に１６個とはならずにＭ殻に１４個、Ｎ殻に２個となっています。
Ｆｅは原子番号が２６ですから電子を２６個もっていて内側の殻から
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１４）
Ｎ（２）
の電子配置となっています。
Fe2+、Fe3+はFeからそれぞれ電子が２個、３個なくなったもので、
■Fe2+
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１２）
Ｎ（２）
■Fe3+
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１１）
Ｎ（２）
となります。
遷移元素は周期表で原子番号の増加とともに内殻の電子が満たされつつある元素で、これらの原子は内殻の電子も化学結合に関与します。
※遷移元素（transition element）とは、周期表で第3族元素から第12族元素の間に存在する元素の総称。
なお、これらのイオンが化学結合する場合にはこれと異なった電子配置をとって結合すると考えられます。たとえば鉄の化合物について考える場合、
■Fe2+
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１４）
■Fe3+
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１３）
の電子配置で化学結合しているとみなして構造を考えます。
さらに、これらの２つの電子配置にもそれぞれ２種類あることが知られています。
周期表で１６番目以降の原子の電子配置を示すと、
■Ｓ（１６番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（６）
■Ｃｌ（１７番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（７）
■Ａｒ（１８番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（８）
■Ｋ（１９番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（８）
Ｎ（１）
■Ｃａ（２０番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（８）
Ｎ（２）
■Ｓｃ（２１番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（９）
Ｎ（２）
■Ｔｉ（２２番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１０）
Ｎ（２）
■Ｖ（２３番）
Ｋ（２）
Ｌ（８）
Ｍ（１１）
Ｎ（２）
のようになります。
１番のＨから１８番のＡｒまではＫ殻から順番にＬ殻、Ｍ殻と電子が入っていきますが、１９番のＫになるとＭ殻には１８個まで電子が入るにも関わらず８個のままでその側のＮ殻に電子が入っていきます。
２０番のＣａもＭ殻は８個のままでＮ殻に２個電子が入ります。ここまでが典型元素です。
※典型元素とはメンデレーエフが周期表第2周期の元素のリチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素の7元素を、各族の代表的元素としてもの
そして２１番のＳｃになったところで電子がＭ殻に入ってきます。２２番、２３番・・・・２６番の鉄もＮ殻が２個のままで内側のＭ殻に電子が満たされていく過程にある原子です。
このような原子を遷移元素といいます。
どうしてこのような電子配置になるかというと、Ｋ，Ｌ，Ｍという電子殻には電子が存在する軌道というものがあって、Ｋ殻では１ｓで表される１つの軌道があり電子が２個まで入ります。
Ｌ殻には１つの２ｓという電子が入りやすい軌道と３つの２ｐという電子がやや入りにくい軌道があり、それぞれの軌道に電子が２個ずつ入るので合計８個の電子が入ります。
Ｍ殻には１つの３ｓという電子が入りやすい軌道と３つの３ｐという電子がやや入りにくい軌道と５つの３ｄという電子がかなり入りにくい軌道からできています。
そして、それぞれに軌道に２つまで電子が入るので合計１８個の電子が入ります。
Ｎ殻は４ｓが１個、４ｐが３個、４ｄが５個、４ｆが７個で３２個の電子が入ります。
ところで３ｄという軌道は電子がかなり入りにくいので１８番のＡｒから１９番のＫになるとき３ｄ軌道に電子が入らずに４ｓ軌道に入ってしまうのです。
そしてＣａで４ｓ軌道が満たされると４ｐ軌道よりは３ｄ軌道のほうが電子が入りやすいので２１番のＳｃでは内側の３ｄ軌道に電子が入りＭ殻の電子が合計９個になるのです。
そして（例外がありますが）原子番号が大きくなるにつれて、Ｎ殻の４ｓに２個のままでＭ殻の３ｄ軌道に電子が入っていくのです。
電子の入りやすさ（エネルギー順位といいます）を他の条件を考慮せずに並べると、次のようになります。
１ｓ（K殻）
２ｓ（L殻）
２ｐ（L殻）
３ｓ（M殻）
３ｐ（M殻）
４ｓ（N殻）
３ｄ（M殻）
４ｐ（N殻）
のようになります。
※ただし、３ｐと４ｓのエネルギー順位は接近しているので、条件によっては変化する場合があります。
このように、Ｆｅの電子ではＮ殻の４ｓの電子よりもＭ殻の３ｄの電子のほうがわずかに電子が入りにくい（エネルギー順位が高い）ためにＭ殻の電子が出て行きやすくなります。
ただし、これは原子そのもの（気体状態のＦｅ）についてであって、結晶や溶液中ではＦｅ2+もＦｅ3+もいろいろな原子と結合（配位結合）して存在しています。
このような場合には単純に原子殻にある軌道の電子の入りやすさだけでは議論できません。鉄イオンに結合している原子によって鉄イオンの電子配置が変化します。
鉄は2価と3価どちらの方が安定かというというと3d電子軌道は電子が6コより5コの方が安定である事により、3価の方が安定だと言えるでしょう。
ただ傾向として、空気中では強酸性溶液では２価が安定で、塩基性になると３価が安定になります。
d軌道は５つの縮退した軌道を持っていて、最大１０個の電子を収容可能です。
ｄ軌道に電子が収容されていく場合、５個までは空の軌道があいているので、フント則に従って、電子が一つずつ別々の軌道に入っていきますが、６個目以降はすでに電子の入った軌道に入るしかありません。
ひとつの軌道に二つの電子が入ると電子同士の静電反発が別々の軌道に電子が分布している場合と比べ大きくなるため、２価の鉄イオンの安定性は３価の鉄イオンのと比べ落ちます。
■エネルギー準位の補足説明
ボーアは“エネルギー準位”という、それぞれの“殻”に固有のものが存在する“ボーア原子”模型を考案し、“八隅子則”と呼ばれる、それぞれのエネルギー準位に電子がどの様に入るのか（つまり“電子配置”がどうなっているのか）という法則も分かってきました。
しかし、この“八隅子則”は原子番号の20番までしか完全には通用しません。これは何故でしょうか？
それは“八隅子則”が、理解しやすいように原子番号20番までに見られる一定の“現象”の部分（最外郭電子が8個以上入らない“ように見える”という現象です）を主に取り上げているからです。逆に考えれば、高校までに使用する原子番号が20番までなのは、この為だとも考えられます。
そのような訳で、大学等の化学系を“八隅子則”だけで理解するのは、いささか苦しく･･･、いえ、ハッキリ言えば無理となってきます。
では、“八隅子則の例外”をカバー出来る電子配置の概念とは何でしょうか？
これこそが、まさに“副エネルギー準位”又は“（エネルギー）副準位”という概念なのです。
先程記した“八隅子則”も、この“副エネルギー準位”という“法則”の、ごく一部分に過ぎません。
副エネルギー準位の概念は、次のように考えれば何となくお分かり頂けるかと思います（図1）。
図1．を見て感覚的にお分かり頂けたかと思いますが、各エネルギー準位（K準位、L準位、M準位等）には、それぞれ副エネルギー準位（s副準位、p副準位、d副準位等）があり、それぞれのエネルギー準位がもっている副準位の数は違ってきます。副エネルギー準位は、もっているエネルギーの低い方から「s → p → d → f → g → h → i」の文字で表され、副準位として1つ高いエネルギーをもつ文字は、その直前の副準位より最大電子数が4個増えています。
･･･という事で、下準備が出来ました。早速、電子の入り方を･･･、と言いたい所ですが、その前に、混乱を避ける為、次の記載方法の変更を行います。まずは、ボーア原子の解説で使用した“表1”を御覧下さい。
表1．各エネルギー準位の理論的最大電子数（ボーア原子の解説より）
| エネルギー準位 | 理論上の 最大電子数 |
|
| アルファベット名 | 番号名 | |
| K L M N O P Q |
1 2 3 4 5 6 7 |
2 8 18 32 50 72 98 |
今までは各エネルギー準位を、高校等で馴染みのある“アルファベット名”で記してきました。しかし、副準位の表記も同じ“アルファベット名（小文字）”となりますので、これ以降はエネルギー準位を“番号名”で記します。例を挙げますと、“2p”と記した場合は、“L準位のp副準位”の事になります。
では、問題の“電子の入り方”を考えてみましょう。
とは言っても、基本的に「低いエネルギー準位から先に電子が入る」という考え方に変わりはありません。ただ、考える基準が“副準位”単位となり、“八隅子則”のように「最外郭電子が8個･･･」とかは一切考えず、それぞれの副準位が一杯になるまで電子を入れていきます。ちなみに、それぞれの副エネルギー準位の位置関係（エネルギーの高低）は、次のようになります（図2）。
この“図2”を常に見て 電子配置を考えられるとは限りませんよね？出来る事なら、“図2”を見なくても電子配置を予測したいものです。
･･･という事で、要は「電子が各副エネルギー準位に入っていく順番」と「各エネルギー準位にある副エネルギー準位の種類」、それから「その副エネルギー準位に入る最大電子数」さえ分かれば、“図2”をどこにいても簡易的に組み立てて、電子配置の予測をする事が出来ますので、次の様な方法が有効なのではないでしょうか（図3）？
それでですね、“図3”の組み立て方ですが、
?@ エネルギー準位の「エネルギーが低い方」から上に向かって“1～7”の番号を書きます。
?A 副エネルギー準位の「エネルギーが低い方」から右に向かって、アルファベットの文字を書きます（最初から7文字目まで）。
この時、それぞれの副エネルギー準位に入る最大電子数として、エネルギーが一番低い、一番左のアルファベットの上に“2個”と書いた後、右に“＋4個”ずつしながら数字を書いておきます。
（“図3”では、副エネルギー準位をエネルギーの低い方から「s → p → d → f → g → h → i」の文字で表していますが、「ボーア原子模型での電子配置さえ分かれば良いよ～」というのであれば、極端な話「a → b → c → d → e → f → g」でも構わないと思います）
?B ?@と?Aの重なる文字を、「数字 → アルファベット（例えば“1s”）」という風に埋めていきます。
ただし、「左上を頂点とした直角三角形の形になる部分だけ」を埋め、右下側は一切埋めません。
?C “図3”の“スタート”部分からの線のように、順番に電子が一杯になるまで入れていきます。
という感じです。これで、紙と筆記用具さえあれば、どこででも“図3”が組み立てられますね。
では、どうしてこの考え方が それほど重要なのか、具体的な例を挙げてみましょう。
例えばですね、“図3”の考え方を使えば、“八隅子則”では説明のできなかった、“ボーア原子”の解説の“表2”の“原子番号21番”が説明できてしまったりするのです。
表2．原子番号21までの元素の基底状態の電子配置（ボーア原子の解説より）
|
|
|||||||||||||||||
さて、エネルギー準位の“八隅子則”では説明のできないこのスカンジウムの電子配置を、“副エネルギー準位”で考えますと、次の様になります（表3）。
表3．スカンジウム（電子数21個）の電子配置を副エネルギー準位で考えた場合
| エネルギー準位 → | K（1） | L（2） | N（3） | O（4） | ||||||
| 副エネルギー準位 → | s | s | p | s | p | d | s | p | d | f |
| 電子配置 → | 2 | 2 | 6 | 2 | 6 | 1 | 2 | |||
| 各エネルギー準位の合計電子数 → | 2 | 8 | 9 | 2 | ||||||
副エネルギー準位では、スカンジウムの電子が入る順番は「1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d」となります。電子の18個目を入れると、“3p”の最大電子数である“6個”を満たしてしまいますので、19個目の電子は 次の“4s”に入れます。ところが、電子が20個目の所で、この“4s”も一杯になってしまいますので、さらに次の“3d”に21個目の電子を入れる事となります。
この状態を“エネルギー準位”と“八隅子則”のみで考えますと、“各エネルギー準位の電子数”の通り、N準位（3準位）の電子数が“9個”という、説明できない状態に“見える”のです。
ところで、副エネルギー準位の電子配置を書くのに、“表3”のような事を毎回書くのは非常に面倒です。そこで、副エネルギー準位の電子配置を記述する方法として、次の様な書き方が決められています（図4）。
これだけでは、ちょっと分かりにくいですよね？そこで、この記述方法を使って先程のスカンジウムの電子配置を書いてみましょう（図5）。
この時注意しなければならない点として、“；”の右側は「電子が副エネルギー準位に入る順番から書いていく」という所です。“3p”の後には“3d”を書いてしまいそうになりますが、“4s”を先に書かなければなりません。
これは、例えば原子番号20番の場合、“3d”に入る電子は“0個”なので、本来ならば書く必要がありませんが、もし“4s”を書く前に“3d”を書くという決まりになっていますと、必要のない記述が増え、訳が分からなくなるからです。
話を戻しまして、ここで実際に判明している副エネルギー準位単位での電子配置について見てみましょう（表4）。
表4．実際に判明している元素の電子配置（副エネルギー準位単位）
| 原子 番号 |
元素 (記号) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||||||||||||||||||||
| s | s | p | s | p | d | s | p | d | f | s | p | d | f | g | s | p | d | f | g | h | s | ||||||||
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 |
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Unq Unp Unh Uns Uno Une |
1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 |
1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 |
1 2 3 5 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 |
1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 |
1 2 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 |
2 3 4 5 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 |
1 2 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 |
1 1 1 2 3 4 5 6 7 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 |
2 3 4 6 7 7 8 10 11 12 13 14 14 14 14 14 14 14 14 |
1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 |
1 2 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 |
1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 |
||||||||||
「おや～っ？」と思いましたね？
そうです。実は、この“副エネルギー準位”という考え方を用いても、全ての元素について電子配置を予測する事は出来ないのです。電子配置がおかしい所は全部で20ヶ所、実に全元素中 18.35％ が予測出来ない事になります（逆に言えば、81.65％ は予測出来るとも言えます）。
この例外についてもご説明したいところですが、ボーア原子模型では この例外を説明する事は出来ません。
と言いますのも、ボーア原子模型は電子配置を分かりやすく理解する際、実に巧く説明できる優れた模型なのですが、実際の電子はボーア原子模型のように一定の円を描いておらず、「ある大きさの（電子が95％の確率で見出される）空間に存在する」為、ボーア原子模型を使用した説明では、ここまでの内容で既に限界に達してしまっているのです。
なお、電子配置については量子力学も絡んでくるためこれ以上の解説を省略します
