วิธีเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนทีละขั้นตอน

สัญกรณ์นี้หมายถึงอะไร

แต่ละส่วนของการจัดเรียงอิเล็กตรอนมีสามองค์ประกอบ ใน 2p⁴ เลข 2 คือชั้น (ระดับพลังงานหลัก) ตัวอักษร p คือชนิดของระดับพลังงานย่อย และเลขยกกำลัง 4 คือจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยนั้น เลขยกกำลังรวมกันได้เท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดเสมอ ซึ่งสำหรับอะตอมที่เป็นกลางเท่ากับเลขอะตอม

ระดับพลังงานย่อยมีสี่ชนิด แต่ละชนิดมีความจุคงที่ s จุได้ 2 อิเล็กตรอน (1 ออร์บิทัล) p จุได้ 6 (3 ออร์บิทัล) d จุได้ 10 (5 ออร์บิทัล) และ f จุได้ 14 (7 ออร์บิทัล) ออร์บิทัลแต่ละอันจุอิเล็กตรอนได้อย่างมาก 2 ตัว

ลำดับอาฟบาว

อิเล็กตรอนเติมระดับพลังงานย่อยที่มีพลังงานต่ำสุดก่อน นี่คือหลักอาฟบาว มาจากคำภาษาเยอรมันที่แปลว่า “การสร้างขึ้น” ลำดับการเติมคือ 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

สังเกตว่า 4s เติมก่อน 3d และ 6s เติมก่อน 4f กฎ n + l อธิบายเรื่องนี้ได้ โดยนำหมายเลขชั้น n บวกกับ l (0 สำหรับ s, 1 สำหรับ p, 2 สำหรับ d, 3 สำหรับ f) แล้วเติมจากผลรวมต่ำสุดขึ้นไป ถ้าเท่ากัน n ที่น้อยกว่าเติมก่อน นักเรียนหลายคนใช้วิธีวาดแผนภูมิเส้นทแยงมุมของระดับพลังงานย่อยแล้วตามลูกศรแทน

ตารางธาตุแสดงลำดับเดียวกัน เมื่อไล่ไปตามคาบ คุณจะผ่านบล็อก s (หมู่ 1–2) บล็อก d (หมู่ 3–12 ต่ำลงมาหนึ่งชั้น) และบล็อก p (หมู่ 13–18) โดยมีบล็อก f (ต่ำลงมาสองชั้น) แทรกอยู่ในคาบที่ 6 และ 7

ตัวอย่างการคำนวณ: ออกซิเจน

ออกซิเจนมีเลขอะตอม 8 จึงมีอิเล็กตรอน 8 ตัวที่ต้องจัดวาง ใส่ 2 ตัวใน 1s (เหลือ 6) แล้วใส่ 2 ตัวใน 2s (เหลือ 4) จากนั้นใส่ 4 ตัวสุดท้ายใน 2p ซึ่งจุได้สูงสุด 6 ผลคือ 1s² 2s² 2p⁴ ตรวจสอบ: 2 + 2 + 4 = 8

ชั้นสูงสุดคือ 2 ซึ่งมี 2 + 4 = 6 อิเล็กตรอน ออกซิเจนจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 6 ตัว ภายในระดับพลังงานย่อย 2p กฎของฮุนด์บอกว่าอิเล็กตรอนจะเข้าไปอยู่ในออร์บิทัล p ทั้งสามอันทีละตัวก่อนจะจับคู่กัน อะตอมออกซิเจนจึงมีอิเล็กตรอนเดี่ยว 2 ตัว

ตัวอย่างการคำนวณ: เหล็ก

เหล็กมีเลขอะตอม 26 จึงมีอิเล็กตรอน 26 ตัว เติมตามลำดับอาฟบาว: 1s² (ใส่แล้ว 2) 2s² (4) 2p⁶ (10) 3s² (12) 3p⁶ (18) 4s² (20) และ 6 ตัวที่เหลือไปอยู่ใน 3d การจัดเรียงเต็มคือ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

หนังสือเรียนหลายเล่ม รวมทั้งเว็บไซต์นี้ จะเขียนระดับพลังงานย่อยเรียงตามหมายเลขชั้นแทน คือ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s² ทั้งสองแบบอธิบายอะตอมเดียวกัน เมื่อเหล็กเกิดเป็นไอออน มันจะให้อิเล็กตรอน 4s ก่อน ดังนั้น Fe²⁺ คือ [Ar] 3d⁶ และ Fe³⁺ คือ [Ar] 3d⁵

การเขียนแบบย่อด้วยแก๊สมีตระกูล

การเขียนทุกระดับพลังงานย่อยยาวเกินไปสำหรับอะตอมหนัก นักเคมีจึงแทนอิเล็กตรอนชั้นในด้วยสัญลักษณ์ของแก๊สมีตระกูลตัวก่อนหน้าในวงเล็บเหลี่ยม [He] แทน 1s² [Ne] แทน 1s² 2s² 2p⁶ และ [Ar] แทน 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ แกนกลางที่หนักกว่าได้แก่ [Kr] (36 อิเล็กตรอน) [Xe] (54) และ [Rn] (86)

วิธีใช้คือเขียนแก๊สมีตระกูลตัวก่อนหน้าในวงเล็บ แล้วเพิ่มเฉพาะอิเล็กตรอนที่ตามมาหลังจากนั้น ออกซิเจนกลายเป็น [He] 2s² 2p⁴ โซเดียมกลายเป็น [Ne] 3s¹ และเหล็กกลายเป็น [Ar] 3d⁶ 4s²

ข้อยกเว้น: โครเมียมและทองแดง

มีบางธาตุที่ไม่เป็นไปตามลำดับอาฟบาวเป๊ะ ๆ โครเมียม (24 อิเล็กตรอน) ถูกทำนายว่าเป็น [Ar] 3d⁴ 4s² แต่การจัดเรียงจริงคือ [Ar] 3d⁵ 4s¹ ทองแดง (29 อิเล็กตรอน) ถูกทำนายว่าเป็น [Ar] 3d⁹ 4s² แต่จริง ๆ คือ [Ar] 3d¹⁰ 4s¹

ในทั้งสองกรณี อิเล็กตรอน 4s หนึ่งตัวย้ายไปอยู่ใน 3d ระดับพลังงานย่อย 4s และ 3d มีพลังงานใกล้เคียงกันมาก และระดับพลังงานย่อย d ที่เต็มครึ่ง (d⁵) หรือเต็มทั้งหมด (d¹⁰) เสถียรเป็นพิเศษ ธาตุที่หนักกว่าบางธาตุก็เป็นเช่นเดียวกัน โมลิบดีนัมคือ [Kr] 4d⁵ 5s¹ เงินคือ [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ และทองคำคือ [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ ราว 20 ธาตุในบล็อก d และ f มีการจัดเรียงที่ผิดปกติ ดังนั้นสำหรับธาตุที่หนักกว่าควรตรวจดูตารางที่เชื่อถือได้