電子軌道の順番におけるなぜ？

電子はエネルギーの低い軌道から順に収容される。
その順序は、以下のように斜めの線で記します。

出典：化学のグルメ　https://kimika.net/r1denshihaiti.html

同一上の殻に空きスペースがあるにも関わらず、
外側の殻に電子が先に収容されてしまうには
こういったエネルギー準位が低い軌道から
電子が入っていくというルールがある為である。

周期表にて、電子配置を確認して
気になる原子があったので調べてまとめました。

パウリの排他原理とフントの法則

電子はエネルギーの低い軌道から、入っていくルールを踏まえた上で
パウリの排他原理とフントの法則についても知っておきましょう。

パウリの排他原理

パウリの排他原理とは、一つの原子軌道には電子は2個までしか収容できない。
さらに、それらは互いに逆向きのスピンを有してなければならない。

この例でいくと、上の表は〇、下の表は✖ということになります。

フントの法則

縮重した軌道が存在するとき、それらの軌道にすべて１個ずつ電子が収容されるまで、１個の軌道に1個ずつ電子が収容される。
また、これらの電子は全て同じ向きのスピンをもつ。

※縮重とは、エネルギー準位が等しいということです。 具体的に言うと、3d軌道は縮重していると言います

3p軌道における電子配置の順番は、表の上の行のように
3p軌道上の上向きの電子がすべて埋まった状態で、④番目に↓向きの電子をいれるなら大丈夫です。

しかし、下の行のように3p軌道の上向きの電子が埋まっていない状態で
②番目のように、下向きの電子をいれることはできません。

スカンジウム

スカンジウムを例にみてみましょう。
スカンジウムの原子番号は21番であることから
21個の陽子を持ち、21個の電子を持つことが分かります。

電子は、エネルギーの低い軌道から収容されていくので
1sに2個　2sに2個　2pに6個
3sに2個　3pに6個　4sに2個　3dに1個
これで21個になります。

最終的には、4sが先に埋まり最後に3dになります。
これは、ルール通りに電子が収容されていますね。

また、略式表現として
Sc（スカンジウム）の電子配置： [Ar core] 3d1 4s2
と表記され、アルゴンの電子配置
プラスアルファとして表記することもできます。

クロム

次にクロムの例をみていきましょう。
クロムは、原子番号が24番なので、24個の電子が存在します。

電子はエネルギーの低い軌道から収容されていくので
1sに2個　2sに2個　2pに6個
3sに2個　3pに6個　4sに1個　3dに5個　となります。

しかし、ここで問題があります。
本来なら、4s軌道の上下の電子が埋まった時点で3d軌道に移動するのですが、
クロムでは、4s軌道は片方しか埋まっていません。

これには、理由があります。
3d電子軌道中の電子の数が4つまで増えてきますと、
中途半端に電子を4つ埋めるよりも、
5つの3d電子軌道をみんな埋めてしまった方が全体のエネルギーとしては安定するのです。

ということなので、無理矢理4s電子軌道から電子を奪ってしまうのです。

銅

銅も同じようにやっていきます。
原子番号が29番なので、電子の数は29個になります。

電子はエネルギーの低い軌道から収容されていくので
1sに2個　2sに2個　2pに6個
3sに2個　3pに6個　4sに1個　3dに10個　となります。

ここも4s軌道に電子が先に入るはずが、
3dに入っています。

これは、クロムの時と同じように、
3d電子軌道に電子に電子を9個のままにしておくよりは、
全部埋めた方が良い！
ということで、4s電子軌道から電子を奪ってしまうのです。

よって全体のエネルギーは安定します。

参考記事：https://staff.aist.go.jp/a.ohta/japanese/study/REE_ex_fc2.htm