軌道図を作成する方法

電子軌道図と記述された構成は、どの軌道が満たされ、どの軌道が任意の原子に対して部分的に満たされているかを示します。 価電子の数はそれらの化学的性質に影響を与え、特定の順序と 軌道の特性は物理学において重要であるため、多くの学生は 基本。 良いニュースは、いくつかの基本を理解すれば、軌道図、電子配置（省略形と完全形の両方）、および電子のドット図が非常に理解しやすいことです。

TL; DR（長すぎる; 読んでいない）

電子配置の形式は次のとおりです：1s² 2秒² 2p⁶. 最初の数は主量子数（n）であり、文字はl（角運動量量子数; 軌道の場合は1 = s、2 = p、3 = d、4 = f）であり、上付きの数字はその軌道にある電子の数を示します。 軌道図は同じ基本形式を使用しますが、電子の数の代わりに、↑と↓の矢印を使用し、各軌道に独自の線を与えて、電子のスピンも表します。

電子配置は、次のような表記で表されます。1s² 2秒² 2p¹. この表記法の3つの主要部分を学び、それがどのように機能するかを理解します。 最初の数値は、「エネルギーレベル」または主量子数（n）を示します。 2番目の文字は、角運動量量子数である（l）の値を示しています。 l = 1の場合、文字はs、l = 2の場合はp、l = 3の場合はd、l = 4の場合はf、数値が大きい場合はこの時点からアルファベット順に増加します。 s軌道には最大2つの電子が含まれ、p軌道には最大6つ、dは最大10個、fは最大14個含まれることに注意してください。

構造原理は、最低エネルギー軌道が最初に満たされることを示していますが、特定の順序は覚えやすい方法で連続していません。 充填順序を示す図については、「参考文献」を参照してください。 n = 1レベルにはs軌道のみがあ​​り、n = 2レベルにはsおよびp軌道のみがあ​​り、n = 3レベルにはs、pおよびd軌道のみがあ​​ることに注意してください。

これらのルールは簡単に操作できるため、スカンジウムの構成の表記は次のとおりです。

1秒² 2秒² 2p⁶ 3秒² 3p⁶ 4秒² 3D¹

これは、n = 1およびn = 2レベル全体がいっぱいで、n = 4レベルが開始されていることを示していますが、3dシェルには1つの電子しか含まれていませんが、最大占有率は10です。 この電子は価電子です。

電子を数え、原子番号が一致する元素を見つけるだけで、表記から元素を特定できます。

より重い元素のすべての軌道を書き出すのは面倒なので、物理学者はしばしば速記法を使用します。 これは、（周期表の右端の列にある）希ガスを開始点として使用し、それらに最終軌道を追加することによって機能します。 したがって、スカンジウムは、2つの余分な軌道に電子があることを除いて、アルゴンと同じ構成になります。 したがって、省略形は次のとおりです。

[Ar] 4秒² 3D¹

アルゴンの配置は次のとおりです。

[Ar] = 1s² 2秒² 2p⁶ 3秒² 3p⁶

これは、水素とヘリウム以外の任意の元素で使用できます。

軌道図は、電子のスピンが示されていることを除けば、先ほど紹介した構成表記に似ています。 パウリの排他原理とフントの法則を使用して、殻を埋める方法を見つけます。 排他原理は、2つの電子が同じ4つの量子数を共有することはできないと述べています。これにより、基本的に、反対のスピンを持つ電子を含む状態のペアが生成されます。 フントの法則によれば、最も安定した構成は、可能な限り多くの並列スピンを持つ構成です。 これは、部分的に完全なシェルの軌道図を作成する場合、ダウンスピン電子を追加する前に、すべてのアップスピン電子を入力することを意味します。

この例は、例としてアルゴンを使用して、軌道図がどのように機能するかを示しています。

3p↑↓↑↓↑↓↓

3秒↑↓

2p↑↓↑↓↑↓↓

2秒↑↓

1秒↑↓

電子は矢印で表されており、これもスピンを示しています。左側の表記は、標準的な電子配置表記です。 高エネルギー軌道が図の上部にあることに注意してください。 部分的に完全なシェルの場合、フントの規則では、この方法で充填する必要があります（例として窒素を使用）。

2p↑↑↑

2秒↑↓

1秒↑↓

ドット図は軌道図とは大きく異なりますが、それでも非常に理解しやすいものです。 それらは、価電子の数を示すドットで囲まれた中央の元素の記号で構成されています。 たとえば、炭素には4つの価電子と記号Cがあるため、次のように表されます。

∙

∙C∙

∙

また、酸素（O）には6つあるため、次のように表されます。

∙

∙∙O∙

∙∙

電子が（共有結合で）2つの原子間で共有される場合、原子は同じように図のドットを共有します。 これにより、このアプローチは化学結合を理解するのに非常に役立ちます。