第1周期元素（水素・ヘリウム）：特徴と1s軌道・デュエット則の解説
第1周期元素（水素・ヘリウム）の特徴と1s軌道・デュエット則を図解で分かりやすく解説し、原子構造の基礎を短時間で学べる入門ガイド。
周期1の元素とは、周期表の第1周期（行）に並ぶ元素のことです。周期表は、原子番号が増えるにつれて元素の性質が周期的に繰り返されることを示すために列と行で配列されています。行（周期）が変わるごとに主量子数（電子殻）が増え、同じ列（グループ）の元素は似た化学的性質を示します。第1周期は他の周期よりも元素数が少なく、含まれる元素は水素とヘリウムの2つだけです。
なぜ元素は2つしかないのか（量子論による説明）
第1周期の元素が少ない理由は、現代の原子構造理論、特に量子力学で説明できます。最も内側の電子殻に対応する主量子数 n=1 の軌道は、1s軌道だけです。1s軌道は角運動量量子数 l=0、磁気量子数 m=0 を持ち、スピン量子数 s の取りうる値は +1/2 と −1/2 の2通りだけです。したがって、1s軌道には最大2個の電子しか入れないということになります（パウリの排他原理に基づく）。
このため、原子番号1（水素）は電子配置が 1s1、原子番号2（ヘリウム）は 1s2 となり、1s殻が満たされるところで第1周期は終わります。要するに「利用可能な軌道が1つ（1s）しかない」ことと「その軌道に入れる電子が2つまで」という量子力学的制約が第1周期の要因です。
デュエット則と価電子（化学的性質の基礎）
第1周期の元素は、デュエット則に従います。デュエット則とは、最外殻（価殻）を安定な状態にするのに2個の電子があればよい、という考え方です。これは第2周期以降でよく使われるオクテット則（最外殻を8個の電子で満たす）と対比されます。第1周期では、1s殻が2個で満杯になるため、2個の電子を持つことが安定となります。
水素とヘリウムの性質の違い
- 水素（H）：原子番号1。電子配置は 1s1。1個の価電子を持つため化学的に柔軟で、電子を失って陽イオン（H+）、電子を1個受け取って陰イオン（H−）になることができます。水素は金属的性質と非金属的性質のどちらも示す特殊な元素であり、代表的な同位体として軽水素（プロチウム）、重水素（デュテリウム）、三重水素（トリチウム）があります。
- ヘリウム（He）：原子番号2。電子配置は 1s2。1s殻が完全に満たされているため非常に安定で、化学反応性は極めて低い（貴ガスに分類される）。イオン化エネルギーが非常に高く、原子半径が小さいことも特徴です。
付記：量子数と軌道占有の要点
第1周期で重要なのは次の点です。
- 主量子数 n=1 に対応するのは 1s軌道のみ。
- 1s軌道の電子はスピンが +1/2 と −1/2 の2つの状態を取れるため、最大2個入る。
- パウリの排他原理があるため、同じ4つの量子数（n, l, m, s）を持つ電子は2個以上存在できない。
まとめると、第1周期に元素が2つしかないのは、量子力学により「利用できる軌道が1つ（1s）しかない」ことと「その軌道に入る電子がスピンの違いで最大2個まで」という基本原理から直接導かれます。これが、周期表の構造と元素の化学的性質を理解する鍵の一つです。
周期的なトレンド
周期1には2つの元素しかないので、顕著な周期的傾向はありません。
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| 水素 | ヘリウム |
周期表における第1周期元素の位置づけ
水素もヘリウムもsブロックに属しているが、他のsブロック元素とは挙動が似ていない。この2つの元素を周期表のどの位置に置くべきかという議論がある。
水素
水素の位置は、リチウムの上にあったり、炭素の上にあったり、フッ素の上にあったり、リチウムとフッ素の両方の上にあったり（2回登場）、他の元素の上に浮かんでいたりして、周期表のどのグループにも属していない。
ヘリウム
ヘリウムは希ガスであるため、周期表ではほとんどの場合、pブロックのネオンよりも上に位置する。しかし、電子配置が似ていることから、ベリリウムよりも上に位置することもある。
期間中の要素 1
| ケミカルシリーズ | ||||
| 1 | H | 非金属 | 1s 1 | |
| 2 | 彼は | 1s 2 | ||
水素
水素（記号：H）は化学元素の一つで、原子番号は1です。標準的な温度と圧力では、水素は無色、無臭、無味。非金属に属し、引火性が高い。原子質量は1.00794amuで、最も軽い元素である2。
水素は化学元素の中で最も存在感のある物質です。水素の存在率はおよそ75％です。主系列の星は、主にプラズマ状態の水素で構成されています。しかし、地球上には水素の量が少なくなっています。そのため、工業的には炭化水素（メタンなど）から水素を製造しています。私たちは、生産現場で局所的に元素水素を使用しています。最大の市場は、水素化分解などの化石燃料のアップグレードと、主に肥料市場向けのアンモニア製造にほぼ均等に分けられます。水から電気分解によって水素を製造することもできるが、このプロセスは天然ガスからの水素製造よりも商業的にかなり高価である。
自然界に存在する最も一般的な水素の同位体であるプロチウムは、陽子が1個で中性子を持たない。イオン化合物の中では、水素は正の電荷を帯び、裸のプロトンからなるカチオンになるか、負の電荷を帯び、ハイドライドと呼ばれるアニオンになる。水素はほとんどの元素と化合物を作ることができ、水やほとんどの有機化合物に含まれている。特に酸塩基化学では重要な役割を果たしており、多くの反応で可溶性分子間のプロトンの交換が行われる。シュレーディンガー方程式を解析的に解くことができる唯一の中性原子である水素原子のエネルギーとスペクトルの研究は、量子力学の発展に重要な役割を果たした。
水素と様々な金属との相互作用は、多くの金属が水素脆化を起こす可能性があるため、冶金学や、燃料として使用するための安全な貯蔵方法を開発する上で非常に重要である。水素は、希土類金属や遷移金属からなる多くの化合物に非常に溶けやすく、結晶性の金属にも非晶質の金属にも溶解する。金属に対する水素の溶解性は、金属の結晶格子の局所的な歪みや不純物の影響を受ける。
ヘリウム
ヘリウム（He）は、無色、無臭、無味、無毒、不活性の単原子化学元素で、周期表の希ガス族を代表する元素であり、原子番号は2である。 沸点と融点は元素の中で最も低く、極限状態を除いて気体としてのみ存在する。
ヘリウムは、1868年にフランスの天文学者ピエール・ヤンセンによって発見された。ヤンセンは、日食の光に含まれる未知の黄色いスペクトル線の特徴としてこの物質を初めて検出した。1903年、ヘリウムの大規模な埋蔵量が米国の天然ガス田で発見され、現在では最大の供給国となっている。この物質は、低温学、深海呼吸システム、超伝導磁石の冷却、ヘリウム・デーティング、気球の膨張、飛行船の揚力、アーク溶接やシリコン・ウェハーの成長などの産業用保護ガスとして使用されている。少量のヘリウムガスを吸うと、人間の声の音色や質が一時的に変化する。液体ヘリウム4の2つの流体相、ヘリウムIとヘリウムIIの挙動は、量子力学や超流動現象を研究する研究者や、超伝導のように絶対零度に近い温度が物質に与える影響を研究する研究者にとって重要である。
ヘリウムは2番目に軽い元素で、観測可能な宇宙では2番目に多く存在する。ほとんどのヘリウムはビッグバンで生成されたが、星の中で水素が核融合することで新たなヘリウムが生成されている。地球上では、ヘリウムは比較的稀で、放射性元素の自然崩壊によって、放出されるアルファ粒子がヘリウム原子核で構成されているために作られる。この放射性ヘリウムは、天然ガス中に最大7％の濃度で含まれており、商業的には分留と呼ばれる低温の分離プロセスによって抽出される。
水素放電管
重水素放電管
ヘリウム放電管
質問と回答
Q:ピリオド1元素とは何ですか?
A:周期表の1行目にある元素のことです。
Q:周期表で元素はどのように配置されているか?
A:周期表の元素は、元素の繰り返しの性質を示すために列に並べられています。原子番号が大きくなるにつれて、異なる性質が現れる。化学的性質が繰り返され、同じグループ内の元素が似たような性質を持つと、新しい列が始まります。
Q:ピリオド1にはいくつの元素があるのですか?
A: 第1期の元素は、水素とヘリウムの2つだけです。
Q: なぜ第1期の元素は他の期に比べて少ないのですか?
A: これは、現代の原子構造の理論によって説明することができます。この時代は1s軌道を満たし、二重化則に従っています。つまり、価電子帯を完成するために2個の電子を必要とするので、1s軌道に2個の電子しか保持することができないのです。したがって、2つの元素しか持つことができないのです。
Q: 量子物理学は周期1についてどう説明するのですか?
A: 量子物理学は、第1期の元素が他の期に比べて少ないことを説明します。これは、第1期が1s軌道を満たし、二重化則に従うからです。つまり、価電子帯を完成するために2個の電子を必要とするので、1s軌道に2個の電子だけを保持することができるのです。
Q:「デュエットルール」とはどういう意味ですか?
A: 「デュエットルール」とは、第1周期元素は2個の電子だけで価電子帯が完成するため、2個の電子を両方とも1s軌道に保持することができる、というものです。
Q:化学的性質が繰り返されるとどうなるのでしょうか?A:化学的性質が繰り返されると、原子番号が大きくなるにつれて異なる性質が現れるため、周期表では新しい行が始まります。
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