イオン化傾向の順序の理由

イオン化傾向の順はつぎのとおりです[1]。　　　　　　　　　　　　　　　　　
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    K > Ca > Na > Mg > Al > Ti > Mn > Zn > Cr > Fe > Co > Ni > Sn > Cu > Ag > Au
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１　イオン化傾向がなぜその順序になるのか？次の3つの因子で説明できます

①　クーロン引力　1Z'/(r^2)    （１：電子の電荷、Z'：有効核電荷、r：原子半径）

原子核と最外殻電子のクーロン引力（1Z'/(r^2)）が小さいほどイオン化傾向は大きいと予測できる。

  K < Na < Ca < Mg < Al < Ti < Cr < Mn < Fe < Co < Ni < Cu < Zn < Ag < Sn < Au

上記のクーロン引力の順を逆にすると、実際のイオン化傾向の順序とほぼ一致する。
しかし、Na、Mn、Zn、Snの４元素だけ異常である。

②　イオン化後の最外殻電子配置が閉殻あるいは半閉殻だとイオン化しやすい

Zn2+は [Ar] (3d)10 で閉殻、Sn2+とSn4+は [Kr] (4d)10 (5s)2と[Kr] (4d)10 で閉殻、Mn2+は [Ar] (3d)5 で半閉殻なので特に安定であると予測できる。
そこで、①の順のMn、Zn、Snを前にずらすと、

　K > Na > Ca > Mg > Al > Ti > Mn > Zn > Cr > Fe > Co > Ni > Sn > Cu > Ag > Au

となり、異常なのはNaだけになる。

③　イオンの電荷密度

イオンの電荷密度が大きいほど溶媒和エネルギーが大きいのでイオン化しやすいと予測できる。
イオンの電荷密度は、Ca2+（52） > Na+ （24） である。そこで、②のNaとCaの順を入れ替えると、

　K > Ca > Na > Mg > Al > Ti > Mn > Zn > Cr > Fe > Co > Ni > Sn > Cu > Ag > Au

となり、表１の実際のイオン化傾向と完全に一致する。

２　参考データ

                   　　　　 表１　最外殻s電子に対する有効核電荷　[2]
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     Na    Mg                                                                                     Al          
     2.5    3.3                                                                                    4.1
　　 
    　K     Ca     Sc    Ti      V     Cr     Mn     Fe     Co    Ni   　Cu    Zn
   　3.5    4.4     4.6   4.8      5     5.1     5.3     5.4     5.6   5.7     5.9     6

                                                                                      Ag    Cd    In    Sn
                                                                                        8     8.1   8.5    9.1

                                                                                       Au    Hg    Tl     Pb
                                                                                       11  11.2  12.1   12.2         
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元素の有効核電荷[2,3]は、核電荷に対する電子の遮蔽性が不十分なことから、周期表の右側の元素ほど、また同族では下の元素ほど大きくなります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表２　原子半径
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     Na    Mg                                                                                     Al          
     1.91  1.60                                                                                   1.43         
 
    　K     Ca     Sc    Ti      V     Cr     Mn     Fe     Co    Ni   　Cu    Zn
   　2.35  1.97   1.64  1.47   1.35   1.29  1.37   1.26   1.25   1.25   1.28  1.37 

                                                                                       Ag    Cd    In    Sn
                                                                                      1.44  1.52  1.67  1.58

                                                                                       Au    Hg    Tl     Pb
                                                                                      1.44　1.55  1.71  1.75    
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　　　　　　　　　表３　原子核と最外殻s電子の間のクーロン引力　（1Z'/ (r^2)）
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     Na    Mg                                                                                     Al          
     0.69   1.29                                                                                  2.00         
 
    　K     Ca     Sc    Ti      V     Cr     Mn     Fe     Co    Ni   　Cu    Zn
   　0.63  1.13   1.71  2.22   2.74  3.06   2.82    3.40   3.58  3.64   3.60  3.19 

                                                                                       Ag    Cd    In    Sn
                                                                                      3.85   3.50  3.04  3.64 

                                                                                       Au    Hg    Tl     Pb
                                                                                       5.30  4.66  4.13  3.98 
　－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－表２と表３を用いて計算した。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表４　イオンの電子配置
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Na+   　　  　　 [Ne]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Mg2+  　　　　  [Ne]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Al3+    　　　　  [Ne]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K+     　　　　   [Ar]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ca2+   　　　 　 [Ar]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ti4+   　　　　   [Ar]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V5+    　　　 　 [Ar]
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cr3+    　　　　 [Ar] 　(3d)3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Mn2+   　　　　 [Ar] 　(3d)5
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fe2+   　　　　  [Ar]　 (3d)6
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Co3+   　　　　 [Ar]　 (3d)6
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ni2+   　　　　   [Ar] 　(3d)8
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cu2+  　　　　   [Ar]　 (3d)9
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Zn2+   　　　　  {Ar} 　(3d)10
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Sn4+     　　　　[Kr} 　(4d)10
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表５　　電荷密度
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　Na+ Mg2+                                                                                    Al3+
   24  120                                                                                      770

　K+  Ca2+  Sc3+  T14+  V5+  Cr3+  Mn2+ Fe3+ Co3+  Ni2+  Cu2+  Zn2+
  11  　52    163  　 362    607   261    84    232   272    134   116 　 112

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Ag+  Cd2+  In3+   Sn2+
                                                                                     15     59    138    54

                                                                                    Au3+  Hg+   Tl3+   Pb2+
                                                                                     118    16    105     32
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３　参考文献

[1] ウィキペディア　イオン化傾向

[2] ヒューイ無機化学　p.41 （1984年）