電子配置計算ツール

結果

電子配置計算ツールの使い方

1. 1. 元素を選びます。 元素記号（Fe）、英語の元素名（iron）、または原子番号（26）を入力します。大文字と小文字は区別されません。
2. 2. イオンの電荷を加えます。 Fe3+、Cl-、O2- のように記号の後ろに書くか、別の電荷の欄を使います。
3. 3. 電子配置を読みます。 完全な表記と希ガス表記が実際の上付き文字で表示され、電子数、不対電子、磁性、最外殻も示されます。オプションにチェックを入れると、充填順序で副殻を書いたり、軌道図の外側の部分だけを表示したりできます。
4. 4. 軌道図を読みます。 各箱が1つの軌道を表し、矢印が電子を示します。フントの規則に従って埋められています。不対電子を持つ原子は常磁性で、持たない原子は反磁性です。

充填の規則

電子が軌道にどう入るかは、3つの原理で説明できます。構成原理（アウフバウ原理）は、電子が利用可能な最もエネルギーの低い副殻から埋まることを表します。パウリの排他原理は、1つの軌道に入れる電子は、スピンが互いに逆向きの最大2個までであることを表します。フントの規則は、ある副殻の軌道には、どの軌道にも2個目の電子が入る前に、まず平行スピンの電子が1つずつ入ることを表します。

マーデルングの規則は、一般的な順序を与えます。副殻は n + l が小さいものから順に埋まり、n + l が同じときは n が小さいほうが先になります。これによって、以下のよく知られた順序になります。各副殻に入る電子の最大数は、s が 2、p が 6、d が 10、f が 14 です。

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

s 2, p 6, d 10, f 14

具体例：鉄とそのイオン

鉄の電子は26個です。充填順序どおりに埋めると 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ となり、殻ごとに書くと 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² になります。アルゴンの殻 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ を [Ar] に置き換えると、希ガス表記 [Ar] 3d⁶ 4s² が得られます。3d副殻では、5つの軌道にそれぞれ1個ずつ電子が入り、残った1個の軌道で対になるため、不対電子は4個です。したがって鉄は常磁性です。最外殻は n = 4 で、電子は2個です。

陽イオンは最も外側の殻から電子を失うため、Fe²⁺ は [Ar] 3d⁶、Fe³⁺ は [Ar] 3d⁵ になります。後者は半分満たされた d 副殻で、不対電子は5個です。これは充填順序とは逆の結果です。充填順序では 4s が 3d より先に埋まりますが、3d 電子が存在すると 4s 準位のほうが高くなるためです。

充填順序の例外

以下の20元素では、基底状態の実測値がマーデルングの規則による予測と異なります。計算ツールは、中性原子の配置をすべてNISTの基底準位の表から取得しているため、これらも正しく表示されます。この表には、予測と実測を並べて示しています。

クロムと銅では、3d と 4s の準位が非常に近いため、半分満たされた、または完全に満たされた 3d 副殻のほうが安定になります。パラジウムには 5s 電子がまったくありません。ランタノイドとアクチノイドの場合は、4f と 5d（または 5f と 6d）のエネルギーがほぼ等しいことが原因です。これらは軌道の順序表だけからは予測できないため、データは測定値から取得しています。

よくある質問

元素の電子配置はどのように書きますか？

電子の数を調べます（中性原子では原子番号と同じです）。そのうえで、1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d の順に、各副殻の収容数まで電子を入れていきます。たとえば電子が16個の硫黄は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ です。遷移金属では、このパターンに頼る前に例外の表を確認してください。

電子配置の希ガス表記とは何ですか？

内側の電子を、その直前の希ガスの元素記号を角かっこで囲んだもので置き換える書き方です。硫黄は [Ne] 3s² 3p⁴、鉄は [Ar] 3d⁶ 4s² になります。角かっこの部分は完全な希ガスの配置でなければならないため、計算ツールは当てはまる最大の希ガスを選びます。

遷移金属では、なぜ3dより先に4s電子が失われるのですか？

3d副殻に電子があると、その副殻は4sより低いエネルギーになります。そのため4s電子が最も外側にあり、最も取り除きやすくなります。したがって Fe²⁺ は [Ar] 3d⁶ であり、[Ar] 3d⁴ 4s² ではありません。

クロムと銅が例外になるのはなぜですか？

3d と 4s の副殻はエネルギーが非常に近いため、半分満たされた d 副殻（Cr、3d⁵ 4s¹）や完全に満たされた d 副殻（Cu、3d¹⁰ 4s¹）のほうが、予測された配置よりわずかに安定になります。同じ効果が、4d、5d、ランタノイド、アクチノイド系列の例外も生み出します。

フントの規則とは何ですか？

ある副殻の電子は、どの軌道にも2個目が入る前に、まず平行スピンで1個ずつ軌道に入ります。窒素の2p電子3個がそれぞれ別の軌道に入り、不対電子が3個になるのはこのためです。軌道図でも、対になる前に単独の矢印が示されます。

不対電子と磁性はどう関係しますか？

不対電子を1個以上持つ原子やイオンは常磁性で、磁場に引き寄せられます。すべての電子が対になっているものは反磁性で、わずかに反発されます。不対電子を5個持つ Fe³⁺ は強い常磁性で、[Ar] 3d¹⁰ の Zn²⁺ は反磁性です。

陰イオンの電子配置はどうなりますか？

余分な電子を、充填順序で次に空きのある副殻に加えます。塩化物イオン Cl⁻ は電子が18個あり、1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ でアルゴンと同じなので [Ar] と書きます。酸化物イオン O²⁻ は [Ne] です。