電子配置

電子配置(でんしはいち、: Electron configuration)とは、多電子系である原子分子電子状態が「一体近似で得られる原子軌道あるいは分子軌道に複数の電子が詰まった状態」として近似的に表すことができると考えた場合に、電子がどのような軌道に配置しているのか示したもので、これによって各元素固有の性質が決定される。

量子数と軌道

原子を構成している電子の振舞いは原子核による静電ポテンシャル中の3次元シュレーディンガー方程式を解くことで得られる(特に水素原子におけるシュレーディンガー方程式の解は解析的に解ける)。電子のとり得る軌道は主量子数 n、方位量子数 l、磁気量子数 m の3つによって指定される。

  • 主量子数 n は軌道の大きさとエネルギーを決定している。1, 2, 3, ... と整数値をとり、これは電子殻 K殻、L殻、M殻、…に対応している。
  • 方位量子数 l は軌道の形を決定している。0, 1, 2, ..., n−1 の整数値をとる。これはs軌道p軌道d軌道、f軌道、g軌道…に対応している。
  • 磁気量子数mは各軌道を決定している。−l, −l+1, ..., 0, ..., l−1, l の整数値をとる。

例えば、主量子数2、方位量子数1の軌道を総称して2p軌道と呼ぶ。2p軌道は −1, 0, 1 の3つの磁気量子数をとり得るが、これらに対応して、2px, 2py, 2pz の異なる配位をもつ3つの軌道が存在する。

軌道と電子対

このように電子の配置は軌道と対応付けられる。そして電子の属する軌道の種類に応じて、電子も分類されて呼称される。

  • s電子 - s軌道上の電子。1s電子、2s電子、3s電子、4s電子、5s電子、6s電子、7s電子が存在する。
  • p電子 - p軌道上の電子。2p電子、3p電子、4p電子、5p電子、6p電子、7p電子が存在する。
  • d電子 - d軌道上の電子。3d電子、4d電子、5d電子、6d電子が存在する。
  • f電子 - f軌道上の電子。4f電子、5f電子が存在する。

また、電子はフェルミ粒子なので1つの軌道には、お互いに逆向きのスピンをもつ2個の電子しか入ることができない(パウリの排他原理)。このように軌道が2つの電子によって占有された状態を電子対と呼ぶ。

言い換えると、2p軌道には最大6個の電子が収容される。同様に3d, 4d等のd軌道には最大10個、4f等のf軌道には最大14個の電子が収容される。

以上をまとめると下表のようになる。

主量子数 (電子殻)方位量子数磁気量子数軌道名収容できる電子数
1(K殻)001s2
2(L殻)002s2
10, ±12p6
3(M殻)003s2
10, ±13p6
20, ±1, ±23d10
4(N殻)004s2
10, ±14p6
20, ±1, ±24d10
30, ±1, ±2, ±34f14

水素のような1電子系では電子の持つエネルギーは主量子数 n によってのみ決まるが、一般に原子は多電子系であり、電子同士の反発により各軌道のエネルギーに差が生じる。すなわち、方位量子数 l が大きくなるほど軌道は原子核から遠くに分布するため、電子間相互作用の影響が大きくなる。したがって、多電子系の電子軌道は 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → … の順にエネルギーが高くなり、この順に電子が配置されていく(各軌道内での配置については「フントの規則」を参照)。ただし、d電子の充填などではスピン間相互作用の寄与も入ってくるため、この規則に従わない場合もある。

電子配置によって決まる元素の性質

各元素の物理的・化学的な性質は、主に外側の軌道にどのように電子が充填されているかできまる。例えば、ヘリウムネオンなどの希ガスは最外殻の電子がいっぱいになって安定な電子殻になっていることで、価電子による結合力がなく、いわゆる弱いファンデルワールス力しか結合力がなくなっていることがその性質をきめている。

ナトリウムカリウムと言ったアルカリ金属は希ガスに電子を1個追加した配置になっている。電子を1個取り出して、希ガスと同じ電子配置になった方が、中性でいるよりも安定である。このため、1価の陽イオンになりやすい。同様の理由でカルシウムストロンチウムなどのアルカリ土類金属は2価の陽イオンに、フッ素塩素などのハロゲンは1価の陰イオンになりやすい。

内殻電子

最外殻電子価電子)の軌道より内側にあるものは内殻電子 (Core electron) と呼ばれる。

通常は、原子間の化学結合や、物性に影響を与えることは少ないが、比較的浅い軌道の内殻電子(例:ガリウムの3d電子)や、内殻励起のような現象では、内殻電子が重要な寄与をする場合がある。

基底状態の電子配置表

基底状態の電子配置表(第1 - 第7周期)
元素
記号
原子
番号
K L M N O P Q
最大電子数 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 6
第1周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1H11
18He22
第2周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1Li321
2Be422
13B5221
14C6222
15N7223
16O8224
17F9225
18Ne10226
第3周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1Na1110
ネオン核
1
2Mg122
13Al1321
14Si1422
15P1523
16S1624
17Cl1725
18Ar1826
第4周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1K1918
アルゴン核
1
2Ca202
3Sc2112
4Ti2222
5V2332
6Cr2451
7Mn2552
8Fe2662
9Co2772
10Ni2882
11Cu29101
12Zn30102
13Ga311021
14Ge321022
15As331023
16Se341024
17Br351025
18Kr361026
第5周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1Rb3736
クリプトン核
1
2Sr382
3Y3912
4Zr4022
5Nb4141
6Mo4251
7Tc4352
8Ru4471
9Rh4581
10Pd4610
11Ag47101
12Cd48102
13In491021
14Sn501022
15Sb511023
16Te521024
17I531025
18Xe541026
第6周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1Cs5554
キセノン核
1
2Ba562
3La5712
3Ce5846
1s … 4d
12612
3Pr593262
3Nd604262
3Pm615262
3Sm626262
3Eu637262
3Gd6472612
3Tb659262
3Dy6610262
3Ho6711262
3Er6812262
3Tm6913262
3Yb7014262
3Lu7168
1s … 5p
12
4Hf7222
5Ta7332
6W7442
7Re7552
8Os7662
9Ir7772
10Pt7891
11Au79101
12Hg8078
1s … 5d
2
13Tl8121
14Pb8222
15Bi8323
16Po8424
17At8525
18Rn8626
第7周期1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d7s7p
1Fr8778
1s … 5d
261
2Ra88262
3Ac892612
3Th902622
3Pa9122612
3U9232612
3Np9342612
3Pu946262
3Am957262
3Cm9672612
3Bk979262
3Cf9810262
3Es9911262
3Fm10012262
3Md10113262
3No10214262
3Lr103142621
4Rf (推定)104142622
5Db (推定)105142632
6Sg (推定)106142642
7Bh (計算値)107142652
8Hs (推定)108142662
9Mt109142672
10Ds110142691
11Rg111142692
12Cn1121426102
13(Nh)11314261021
14(Fl) (推定)11414261022
15(Mc) (推定)11514261023
16(Lv) (推定)11614261024
17(Ts) (計算値)11714261025
18(Og) (推定)11814261026
元素
記号
原子
番号
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s 7p
2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 2 6 10 2 6
K L M N O P Q

関連項目

外部リンク

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