Chemistry Labs

10年生

軌道・電子配置・量子数

原子核のまわりのどこに電子が見つかりやすいか、そしてその規則が周期表をどう埋めていくか。

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直観直観：軌道ではなく雲

原子の中の電子は、決まった軌道を回る小さな惑星ではありません。量子力学では波動関数 ψ\psi で表し、その2乗 ∣ψ∣2|\psi|^2 が各点で電子が見つかる確率を与えます。確率の高い領域を雲として描いたものが軌道（オービタル）です。

選んだ量子数 n, l, m に対し、水素型原子の電子が見つかりやすい場所を示す3Dの点の雲。
点の一つひとつが電子の取りうる位置です。nn, ll, mm を変えてみましょう。ss 軌道は球、pp 軌道は2つの葉、dd 軌道はたいてい4つの葉をもちます。オレンジと青は ψ\psi の符号であり、電荷ではありません。

学校学校レベル：量子数

定義: 量子数

n=1,2,3,…n = 1, 2, 3, \dots は電子殻とエネルギーの大きさを決めます。l=0,1,…,n−1l = 0, 1, \dots, n-1 は副殻とその形（s,p,d,fs, p, d, f）を決めます。mm は −l-l から +l+l まで変わり、向きを決めます。スピン ms=±12m_s = \pm\tfrac12 は、1つの軌道に入る2個の電子を区別します。

orbitals in shell n=n2,electrons≤2n2\text{orbitals in shell } n = n^2,\qquad \text{electrons} \le 2n^2

電子はエネルギーの低い軌道から順に入り（構成原理）、1つの軌道には逆向きスピンの電子が最大2個（パウリの排他原理）、等エネルギーの軌道にはまず平行スピンで1個ずつ入ってから対をつくります（フントの規則）。

電子が K, L, M, N 殻で原子核のまわりを回る3D殻モデル。最外殻が強調されている。
原子番号 ZZ を選ぶと、電子配置が表示されます。オレンジの電子が価電子です。

例: 鉄、Z=26Z = 26

鉄の電子配置を書きなさい。

解答

Fe\ce{Fe}：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s21s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^6\,4s^2。4s4s は 3d3d より先に埋まりますが、FeX2+\ce{Fe^2+}、FeX3+\ce{Fe^3+} になるときは 4s4s の電子が先に失われます。