原子の電子配置

化学では、原子の電子配置は、原子または分子の特定の軌道における電子の配置です。電子配置の最初の例は、ボーアの原子モデルで提供されました。電子配置には、原子のさまざまなシェルとサブシェルへのさまざまな電子の配置が含まれます。 Niel Bohr は電子配置の概念を発見しましたが、パウリの排除原理、Aufbau 原理など、原子の電子配置を決定するために、さまざまな科学者による他の多くの原理が使用されています。いくつかの例外があります。

歴史

• 1904 年に開発されたトムソンの原子モデル (プラム プディング モデルとしても知られる) では、原子は正と負の電荷が埋め込まれた球体であると述べられています
• その後、ラザフォードのモデルが登場しました。このモデルでは、原子では、正電荷が中心に存在すると述べています。正電荷の周りの空間の大部分は空であり、電子は原子核の周りを円軌道で移動します。
• 1913 年、ボーアは原子核の周りの固定軌道に電子が存在するという原子モデルを提案しました
• 彼はまた、シェルに収容できる電子の数は、式 2n2 で計算できると述べました。ここで、n は主量子数です。たとえば、最初のシェルは 2 個の電子を収容でき、2 番目のシェルは 8 個の電子を収容できます
• 原子の量子力学的記述が続き、量子数の観点から電子配置を記述しました。量子数に関するこの説明は、原子の電子配置を構成します

量子数

• 主量子数 (n) – 主電子殻と、電子と原子核の間の距離を決定します。 n は 1 以降の任意の正の整数です
• 方位量子数 (l) – 方位量子数は、軌道の形状と角度分布を特徴付けます。 l の値は、それぞれ固有の形状を持つ s、p、d、f サブシェルを指定します。 l 範囲は「0」から「n-1」まで
• 磁気量子数 (ml) – サブシェル内の軌道の数と向きを決定します。 ml の値の範囲は「-l」から「+l」までです
• 電子スピン量子数 (ms) – 4 番目の量子数であり、電子が矢印で示されるスピンを持っていることを示します。下向きの矢印は -1/2、上向きの矢印は +1/2 です。他の量子数とは無関係です。 ms=+1/2 または -1/2

量子数と原子の電子配置

• 電子は負の電荷を持ち、原子核の周りに存在する軌道を占有します
• n で表される主量子数は、殻に収容される電子の最大数を決定します
• 2n2 ルールは、軌道を占有できる電子の最大数を決定するために使用されます
• K 殻は最大 2 個の電子、L 殻は最大 8 個の電子、M 殻は最大 18 個の電子、N 殻は最大 32 個の電子を持つことができます
• l で表される方位量子数は、電子のサブシェルを決定します
• 電子は、s 軌道、p 軌道、d 軌道、f 軌道の 4 つの異なる軌道を占めることができます。すべての軌道は、原子内で異なる形状と方向を持っています

原子の電子配置で使用される原則

原子の電子配置を決定するために、さまざまな原理が使用されます。

• パウリの排他原理は、軌道内の 2 つの電子が同じ 4 つの量子数を持つことはできないと述べています。言い換えれば、軌道内の 2 つの電子は反対のスピンを持つことになります
• フントの法則によると、サブシェルのすべての軌道は最初に電子によって 1 つ占有され、次に二重に占有されて完全な配置になります
• アウフバウの原理によれば、電子は最初に低いエネルギー レベルを満たし、次に高いエネルギー レベルを満たします

周期表のいくつかの元素の電子配置の例

• リチウム – 3 つの電子が含まれています。電子構成は1s2、2s1です
• ホウ素 – 5 個の電子が含まれています。電子配置は 1s2、2s2、2p1 です

• 塩素 – 17 個の電子が含まれています。電子構成は 1s2、2s2、2p6、3s2、3p5 です
• カルシウム – 20 個の電子が含まれています。電子構成は 1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、4s2 です

電子構成の例外

• クロム

電子の数 – 24 個の電子

電子構成 – 1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d5、4s1

• 銅

電子の数 – 29

電子構成 – 1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d10、4s1

原子の電子配置の例外は、半分満たされた軌道と完全に満たされた軌道の余分な安定性のために発生します。すべての電子は安定した状態を達成したいと考えています。したがって、彼らは半分満たされた軌道と完全に満たされた軌道を好みます。

原子の電子配置の必要性

• 原子の電子配置は、元素の化学的挙動を教えてくれます
• 現代の周期表のどこに配置されるかという観点から、元素の位置を知らせてくれます
• 周期表の元素の安定性について説明しています
• 周期表の希ガスの非反応性について説明します
• 軌道内の電子の配置、形状、サイズ、構造についても説明します

結論

電子配置は、原子の軌道における電子の配置のプロセスであると結論付けることができます。電子が軌道に満たされることに基づく多くの原則があります。ボーアの原子モデルは、原子の電子配置の考えを受け入れた最初の理論でした。この理論は波動と粒子の二重性と相容れませんでしたが、原子の量子力学的記述への足がかりとなりました。この理論は、周期表の元素の電子配置を提供することに成功しました。