電子構成 – 定義

導入

電子構成

量子化学と同様に素粒子物理学では、電子配置は、エネルギーとスピンに応じた (原子、分子、その他の物体の) 電子の分布です。

他の素粒子と同様に、電子は量子力学の法則に従い、状況に応じて粒子状または波状として説明される挙動を持ちます。実際には、特定の電子の量子状態は、問題の電子が所定の空間で見つかる確率を反映する波動関数によって記述されます。この波動関数を軌道と呼びます。

さまざまな軌道における電子の分布を知ることと、それらのスピンの知識を組み合わせることで、スピン軌道を定義することが可能になります。したがって、研究対象の体の電子構成を完全に決定します。

電子配置を知ることで、関連するエネルギーにアクセスできるようになり、たとえば、元素の周期分類における原子の特性の進化の解釈が可能になります。分子スケールでは、この概念は化学結合を説明したり、レーザーや半導体の特性を説明したりするためにも重要です。

原子と分子の量子モデル

原子(それぞれ分子) の量子モデルでは、電子はアーネスト・ラザフォードの惑星モデルのように原子核の周りを円形 (または楕円形) に重力移動するのではなく、確率的に原子核の空間の領域を占めます。原子軌道(およびこの概念を分子に拡張すると分子軌道) と呼ばれる数学関数により、この確率を記述することが可能になります。原子または分子の電子配置は、その原子または分子のさまざまな軌道およびスピン (スピン軌道) における電子の分布です。

アトム：量子数を用いたアプローチ

量子数

原子内の電子の状態は、最初のアプローチとして、4 つの量子数n 、 l 、 m _{l 、}およびm _sのデータによって決定できます。最初の 3 つは、問題の電子が位置する原子軌道の特性を提供します。

• nで示される主量子数は、ゼロ以外の自然整数です。
• lで示される二次 (または方位) 量子数 は、区間 [0; n-1] ;それは軌道の角運動量の定量化に関連しています。
• m _l 、またはより単純にmで示される磁気量子数は、区間[ – l ;に含まれる任意の整数値を取ることができます。 L ] ;それは、特定の軸上の角運動量の投影の定量化に関連付けられています。
• m _s 、またはより単純にsで示されるスピン量子数は、値– 1/2または 1/2 (状態はupおよびdownと呼ばれることもあります) のみを取ることができます。スピンは電子の固有の特性であり、他の量子数とは独立しています。

原子軌道と量子箱

原子軌道は特定の三重項( n , l , m )に対応し、この三重項は軌道の幾何学的性質を定義します。量子の観点からは、このトリプレットは量子ボックスにも対応します。軌道内の電子の状態は、そのスピン量子数sによって定義されます。パウリの排他原理により、同じ量子状態に 2 つの電子は存在できません。これは、同じ量子セルを占有できるのは、逆スピンの電子が 2 つまでであることを意味します。

4 つの量子数の値は電子の軌道とスピンを完全に定義するため、この 4 つ子に関連するスピン軌道について話します。

各ダブレット (n, l) は、関連する軌道のタイプを記述できる表記法に関連付けられています。

• l = 0: 軌道はタイプs ( sharpの場合) です。それはnsで示されます。最大2個の電子が含まれています。
• l = 1: 軌道はp型です ( principalの場合)。 npと記されています。最大6個の電子が含まれています。
• l = 2: 軌道はd型です (拡散の場合)。注目されるのはnd である。最大10個の電子が含まれています。
• l = 3: 軌道はf型です (基本波の場合)。 nfと記されています。最大14個の電子が含まれています。
• l = 4: 軌道はg型です。それはngと表されます。最大 18 個の電子が含まれる可能性があると仮定します。

これらの軌道の名前s 、 p 、 d 、 f は、微細構造の観察に基づいたスペクトル線に基づいた分類システムに由来しており、したがって、シャープ、主、拡散、および基本という修飾子が付けられています。最初の 4 種類の軌道が説明されたとき、それらはこれら 4 種類のスペクトル線に関連付けられていました。 gという指定は単にfをアルファベット順に並べたものです。理論的には 4 つを超えるサブシェルを持つシェルが可能ですが、現在知られている化学元素は、基本状態のサブシェルgに電子を持っていません。

電子殻ごとの電子の数を数える

4 つの量子数n 、 l 、 m 、 sの定義を考慮して、最初の 5 つの電子のサブシェル ( lの値) あたりの量子ボックス ( mの値) の数から推定される電子の数レイヤー ( nの値) は次のようになります。

n	L	電子下地層	メートル	電子
n = 1	l = 0	1秒	m = 0	2電子
n = 2	l = 0	2秒	m = 0	2電子
	l = 1	2P	m = – 1	6電子
			m = 0
			m = 1
n = 3	l = 0	3秒	m = 0	2電子
	l = 1	3P	m = – 1	6電子
			m = 0
			m = 1
	l = 2	3D	m = – 2	電子10個
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
n = 4	l = 0	4秒	m = 0	2電子
	l = 1	4P	m = – 1	6電子
			m = 0
			m = 1
	l = 2	4D	m = – 2	電子10個
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
	l = 3	4f	m = – 3	14電子
			m = – 2
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
			m = 3
n = 5	l = 0	5秒	m = 0	2電子
	l = 1	5p	m = – 1	6電子
			m = 0
			m = 1
	l = 2	5d	m = – 2	電子10個
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
	l = 3	5f	m = – 3	14電子
			m = – 2
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
			m = 3
	l = 4	5g	m = – 4	18電子
			m = – 3
			m = – 2
			m = – 1
			m = 0
			m = 1
			m = 2
			m = 3
			m = 4

基底状態での電子分布

原子（水素原子）および分子（二原子分子）軌道

原子のすべての電子を異なる原子軌道に分配するために、エネルギーを増加させることによって分類され、電子は最もエネルギーの低い軌道に優先的に分配されます。次に、基底状態の原子の電子分布を取得します。

さまざまな原子軌道のエネルギーの厳密な計算を、スレーターの行列式を使用した量子力学の枠組み内で実行する必要がある場合、量子数を使用した単純なアプローチにより、原子の場合のほとんどの結果を見つけることが可能になります。

最初のアプローチでは、軌道のエネルギーは二重項 ( n , l ) によって決定され、合計 ( n + l ) とともに増加します。 2 つの異なる軌道のこの合計が等しい場合、エネルギーが最も低い軌道が、最小のnの軌道になります。

エネルギーの増加による軌道の充填は、しばしば「アウフバウ原理」(ドイツ語: 構築) と呼ばれ、軌道の順序付けの規則は「クレシュコフスキー規則」と呼ばれます。

これらの異なる規則を考慮すると、電子は次の順序で軌道内に分布します。

1. 1秒
2. 2秒
3. 2P
4. 3秒
5. 3P
6. 4秒
7. 3D
8. 4P
9. 5秒
10. 4D
11. 5p
12. 6秒
13. 4f
14. 5d
15. 6p
16. 7秒
17. 5f
18. 6d
19. 7p

例

充填された n=5 層の電子配置は次のとおりです。

この情報は次のように記録できます: 5s ² 5p ⁶ 5d ¹⁰ 5f ¹⁴ 5g ¹⁸ (表記の詳細については以下を参照)。

周期表の構造との対応

電子配置は周期表の構造と密接に関係しています。原子の化学的性質は主に、外殻(または価電子殻) 内の電子の配置によって決まります。

原子の略記

いくつかの完全に満たされた電子殻を持つ原子の場合、表記は非常に長くなる可能性があります。この場合、コア電子 (d 層または f 層を除く、完全に満たされた電子層の電子) の構成が、その元素に先行する希ガスの構成と同一であることを示すことで、この表記を省略できます。たとえば、リンは、第 3 層の存在によってのみネオン(1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ ) と異なります。したがって、ネオンの電子配置が削除され、リンは次のように表されます: [Ne]3 s ² 3 p ³ 。

例外

それにもかかわらず、量子数を使用するこの単純なアプローチには、特に遷移金属とランタニドの間で、いくつかの例外があります。充填ルールは、原子を記述する量子力学の近似にすぎません。

半分充填されたサブシェルは最大のスピン構成をもたらし、フントの法則の下である程度の安定性を与えます。たとえば、クロム(原子番号 24) の電子配置は [Ar] 3d ⁴ 4s ²ではなく、[Ar] 3d ⁵ 4s ¹です。

もう一つの注目すべき点は、しっかりした下地についてです。たとえば、銅(原子番号 29) の電子配置は [Ar] 3d ⁹ 4s ²ではなく、[Ar] 3d ¹⁰ 4s ¹です。