原子の電子配置(第4周期まで)と電子軌道のエネルギー準位

K L L M M M N N
s s p s p d s p
H 1
He 2
Li 2 1
Be 2 2
B 2 2 1
C 2 2 2
N 2 2 3
O 2 2 4
F 2 2 5
Ne 2 2 6
Na 2 2 6 1
Mg 2 2 6 2
Al 2 2 6 2 1
Si 2 2 6 2 2
P 2 2 6 2 3
S 2 2 6 2 4
Cl 2 2 6 2 5
Ar 2 2 6 2 6
K 2 2 6 2 6 1
Ca 2 2 6 2 6 2
Sc 2 2 6 2 6 1 2
Ti 2 2 6 2 6 2 2
V 2 2 6 2 6 3 2
Cr 2 2 6 2 6 5 1
Mn 2 2 6 2 6 5 2
Fe 2 2 6 2 6 6 2
Co 2 2 6 2 6 7 2
Ni 2 2 6 2 6 8 2
Cu 2 2 6 2 6 10 1
Zn 2 2 6 2 6 10 2
Ga 2 2 6 2 6 10 2 1
Ge 2 2 6 2 6 10 2 2
As 2 2 6 2 6 10 2 3
Se 2 2 6 2 6 10 2 4
Br 2 2 6 2 6 10 2 5
Kr 2 2 6 2 6 10 2 6

希ガスでは、最外殻の電子軌道にすべての電子が入っている。また、VからCr、NiからCuにかけて、それまでの規則性が崩れていることがわかる。

第4周期の電子配置

Arまで、つまり第3周期までは、K殻s軌道、L殻s軌道、L殻d軌道…と順番に電子が配置されるが、Scから電子配置が変則的になる。第4周期だけとりだすと次のようになる。

K 2 2 6 2 6 1
Ca 2 2 6 2 6 2
Sc 2 2 6 2 6 1 2
Ti 2 2 6 2 6 2 2
V 2 2 6 2 6 3 2
Cr 2 2 6 2 6 5 1
Mn 2 2 6 2 6 5 2
Fe 2 2 6 2 6 6 2
Co 2 2 6 2 6 7 2
Ni 2 2 6 2 6 8 2
Cu 2 2 6 2 6 10 1
Zn 2 2 6 2 6 10 2
Ga 2 2 6 2 6 10 2 1
Ge 2 2 6 2 6 10 2 2
As 2 2 6 2 6 10 2 3
Se 2 2 6 2 6 10 2 4
Br 2 2 6 2 6 10 2 5
Kr 2 2 6 2 6 10 2 6

アルカリ金属のKとアルカリ土類金属のCaは、電子がM殻d軌道ではなく、N殻s軌道に入る。そしてN殻s軌道が埋まると、その後はM殻d軌道に1、2、3と入っていくが、CrとCuで順番が再び逆転する。高校化学でもCrCuは「特殊な元素」として扱われるが、その特殊性はこの変則的な電子配置が影響している。

第4周期の電子配置の特殊性

  • KとCaはM殻d軌道ではなく、N殻に電子が入る
  • Sc、Ti、Vまでは電子がM殻d軌道に順番に入る
  • CrはN殻s軌道の電子が1個だけM殻d軌道に移る
  • Mn、Fe、Co、Niは順番に入る
  • CuはN殻s軌道の電子が1個だけM殻d軌道に移る

電子配置が変則的になるScからCuまでを遷移元素という。

1sから5fまでのエネルギー準位

エネルギー準位が高い順

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

エネルギー準位に応じて電子は入る。3dよりも4sのほうがエネルギー順位が低いことから、KとCaでは価電子が内側の3d(M殻d軌道)でなく、外側の4s(N殻s軌道)に入る。Sc以降は、4pでなく3dに電子が入る。

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