pブロック元素と非金属

pブロックは13族から18族にわたり、ほとんどの非金属と半金属を含み、周期表の中で最も多様な酸化状態、同素体、結合様式を示す。

Definition

pブロック元素とは、13族から18族の元素であり、最高エネルギー電子がp副殻を占める。これらには金属、半金属、非金属が含まれ、可変的な酸化状態、広範なカテネーション、多様な分子構造を示す。

Scope

このトピックでは、13族から18族（貴ガスは別途扱う）の記述化学を扱う。具体的には、半金属と非金属のグラデーション、複数の酸化状態と不活性電子対効果、炭素、リン、硫黄におけるカテネーションと同素体、非金属の水素化物、酸化物、オキソ酸、ハロゲン化物、および第一周期元素の異常な化学について述べる。クラスター結合（ホウ素および電子欠損クラスターの項で扱う）よりも、周期的な傾向と特徴的な化合物を重視する。

Core questions

• pブロックにおいて、金属的性質から非金属的性質への変化は、周期と族でどのように推移するか？
• なぜ重いpブロック元素はより低い酸化状態を好むのか（不活性電子対効果）？
• カテネーションと同素体は、炭素、リン、硫黄に多様な形態をどのように与えるのか？
• 非金属オキソ酸の強さは何によって決まるのか？

Key concepts

• 半金属と対角線上のバンド
• 不活性電子対効果
• カテネーションと同素体
• 非金属の水素化物とハロゲン化物
• 酸化物とオキソ酸
• 第一周期元素の異常性

Key theories

周期的な傾向と不活性電子対効果

pブロックでは、周期が進むにつれて電気陰性度が増加し、金属的性質が減少する。一方、各族を下るにつれて、価電子s電子が結合に参加しにくくなるため、族番号より2つ低い酸化状態が安定する。

カテネーションと同素体

軽いpブロック元素は強い元素-元素結合を形成し、炭素には広範なカテネーション化学をもたらし、炭素、リン、硫黄には異なる構造と反応性を持つ同素体を生み出す。

オキソ酸と非金属酸化物

非金属は、酸化物とオキソ酸の段階的な系列を形成し、その酸強度は中心原子の酸化状態と電気陰性度と相関する。これはポーリングのオキソ酸強度に関する規則などで体系化されている。

Clinical relevance

pブロック元素は、生物学における炭素、窒素、酸素、リン、半導体やガラスのシリコン、消毒剤や医薬品のハロゲン、肥料の固定窒素とリン酸を供給する。

History

pブロック元素は周期表の構築と検証の中心であり、メンデレーエフはガリウムやゲルマニウムなど、当時未発見だった元素の特性を予測した。モーズリーのX線研究はそれらの原子番号を確定し、ポーリングの電気陰性度スケールはそれらの結合と酸性の傾向を体系化した。

Key figures

• Dmitri Mendeleev
• Henry Moseley
• Linus Pauling

Seminal works

• greenwood1997
• weller2018
• housecroft2018

Frequently asked questions

不活性電子対効果とは何か？

重いpブロック元素では、価電子s電子が結合に参加する傾向がますます弱くなるため、族の最大酸化状態より2つ低い酸化状態がより安定する。例えば、鉛が+4状態よりも+2状態を好むのがその例である。

なぜ炭素の化学は、より重い14族元素よりもはるかに多様なのか？

炭素は非常に強い炭素-炭素結合および炭素-水素結合を形成し、多重結合を容易に作るため、鎖状や環状への広範なカテネーションが可能となる。より重い元素はより弱い結合を形成し、カテネーションもはるかに少ないため、構造的多様性が限られる。