「俺、超伝導できますけど。」ニオブという元素の性格を化学で解剖する【完全版】

周期表41番。

記号は Nb。

名前だけ聞くと、

「……ニオブ？」

となる人も多いかもしれません。

高校化学でも、酸素や鉄、ナトリウムほど頻繁に登場する元素ではありません。

でも。

この元素、実はかなりクセが強い。

なにがすごいって、

超伝導に関わります。

「超伝導？」

そう。

電気抵抗がゼロになる、あの超伝導です。

しかもニオブは、

MRIなどに使われる超伝導磁石の材料として重要な役割を持っています。

さらに、

鉄鋼材料の性能を高めるためにも使われます。

つまりニオブは、

「俺、電気すごいです」

だけではありません。

「材料としても仕事できます」

というタイプ。

しかも、電子配置を見てみると、

「あれ？」

となるポイントまであります。

単純に

「41番だから電子41個」

で終わらせるには、ちょっともったいない。

今回はニオブを、

「暗記する元素」ではなく「性格のある元素」

として解剖していきます。

まず、ニオブのプロフィール

項目 内容 元素名 ニオブ 元素記号 Nb 原子番号 41 周期 5周期 族 5族 分類 遷移元素 ブロック dブロック 常温での状態 固体 金属・非金属 金属 代表的な酸化数 +5 電子配置 [Kr] 4d⁴5s¹

まず、

原子番号41。

これがスタート地点です。

原子番号は、

を表します。

だからニオブには、

陽子が41個。

電気的に中性のニオブ原子なら、

電子も41個。

ここは超重要。

「Nbだからなんとなく41」

ではありません。

原子番号＝陽子数

です。

そして中性原子では、

陽子数＝電子数。

したがって、

となります。

ニオブはどこにいる？

周期表で見ると、

5周期・5族・dブロック。

つまり遷移元素です。

ここで、

「5族だから電子が5個？」

と考えたくなります。

でも、

dブロックでは、そんな単純な話ではありません。

ここがニオブを理解するうえでのポイント。

典型元素なら、

「最外殻電子数」

と族番号をかなり結びつけて考えられます。

しかし遷移元素では、

ns軌道だけではなく、(n−1)d軌道の電子も化学的性質に関わってくる。

だから、

「族番号＝最外殻電子数」

と機械的に考えてはいけません。

ニオブは、

d電子が仕事する元素。

そう考えると、少しキャラクターが見えてきます。

ニオブの電子配置

ここからが重要。

ニオブの電子配置は、

[Kr] 4d⁴5s¹

です。

ここで、

「え？」

となった人。

正常です。

高校化学で電子配置を考えると、

「5sに2個入って、そのあと4dに3個かな？」

と考えたくなります。

つまり単純なイメージでは、

[Kr] 4d³5s²

を想像しやすい。

ところが実際の基底状態は、

[Kr] 4d⁴5s¹

です。

ニオブは、

電子配置にちょっとクセがある。

これが面白い。

なぜ4d³5s²じゃないの？

ここは高校生が、

「じゃあ、電子はどうして勝手に移動したの？」

と思うところ。

電子は、

「先生、この席が好きなので」

という理由だけで配置されているわけではありません。

原子全体としてのエネルギーが関係します。

軌道のエネルギーは、

「絶対にこの順番」

と固定されているわけではありません。

特に遷移元素では、

ns軌道と(n−1)d軌道のエネルギーが近い。

そのため、

単純な充填順だけから予想した配置と、

実際の基底状態が異なることがあります。

ニオブの場合、

4d⁴5s¹

という配置が基底状態です。

つまり、

「4dにもう1個入れて、5sを1個にしたほうが全体として都合がいい」

ということ。

もちろん、

「d軌道が半分埋まるから！」

だけで全部説明できるわけではありません。

電子間反発や軌道エネルギーなど、原子全体の量子力学的な事情が関係します。

ここは、

「遷移元素ではd軌道とs軌道のエネルギー差が小さく、単純な順番だけでは電子配置を予測できない場合がある」

と理解しておくのが大切です。

ニオブの性格を一言で表すなら

ここまでをキャラクター化すると、

です。

普通に見えて、

ちょっと違う。

でもその「ちょっと違う」が、

後の化学的性質にもつながっていきます。

ニオブは何個の電子を失いやすい？

ニオブで代表的な酸化数は、

+5。

つまり、

ニオブが5個分の電子を失った状態を考えることがあります。

式で書くと、

Nb → Nb⁵⁺ + 5e⁻

です。

ここで、

「5個も失うの？」

と思うかもしれません。

そう。

ニオブは遷移元素なので、

d電子も含めて複数の酸化状態をとることがあります。

ただし、

「ニオブは絶対に+5しかない」

というわけではありません。

遷移元素らしく、

+4などの酸化状態も存在します。

それでも高校化学などで代表として押さえたいのは、

+5

です。