電子配置計算機 | 全元素1-118

電子配置計算機とは？

電子配置計算機は、原子の電子が各軌道にどのように配置されているかを求めます。軌道とは、原子核の周囲で電子が見つかりやすい領域のことです。1から118までの原子番号を入力すると、完全表記と貴ガス（省略）表記の電子配置に加え、軌道の充填の様子を示す図が表示されます。

電子配置とは？

電子配置は、原子の各副殻に何個の電子が入っているかを示す短いコードです。1s、2s、2pのようなラベルを並べ、それぞれの後ろに小さな上付き数字を付けて記します。ラベルは、副殻のエネルギー準位と形を示します。上付き数字は、その副殻にある電子の数を表します。たとえば、炭素の電子配置は1s² 2s² 2p²で、1s副殻に2個、2sに2個、2pに2個の電子があることを意味します。

電子がこれらの副殻を満たす仕方は、3つの規則で決まります。

• アウフバウ原理：電子は、より高いエネルギーの副殻へ移る前に、最も低いエネルギーの副殻から順に入ります。
• パウリの排他原理：一つの軌道に入る電子は最大2個で、2個の電子は互いに反対向きのスピンを持たなければなりません。
• フントの規則：副殻内にある複数の軌道のエネルギーが等しい場合（3つのp軌道など）、電子はまず各軌道に1個ずつ入り、その後でいずれかの軌道に2個目の電子が入ります。

副殻が低エネルギーから高エネルギーの順に満たされる順序は、次のとおりです。

11s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p
2

4sは、数字の「3」が「4」より小さいにもかかわらず、3dより先に満たされます。これはこの規則性の中でも理解しにくい部分の一つであり、単純な殻番号ではなく、上記の順序が充填の順番を決める理由でもあります。

電子配置の公式：計算方法

手作業で電子配置を作るには、上記の充填順序に従い、電子がなくなるまで各副殻に電子を入れていきます。副殻の種類ごとに、入る電子の最大数は決まっています。

手順：

1. 元素の原子番号を調べます。これは中性原子の電子数と等しくなります。
2. 充填順序（1s、2s、2p、3s、...）に従い、次の副殻へ進む前に各副殻を最大数まで満たします。
3. すべての電子を配置したら止めます。最後の副殻は一部しか満たされていない場合があります。

計算例：ナトリウム（Na、原子番号11）

ナトリウムには11個の電子があります。順に充填すると、1sには2個、2sには2個、2pには6個が入り（合計：10個）、3sに入る電子として1個が残ります。

完全表記：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

貴ガス表記

貴ガス表記では、完成した内殻を、直前の貴ガスの元素記号を角括弧に入れて置き換えることで、電子配置を短くします。基準となる6種類の貴ガスは、ヘリウム（2）、ネオン（10）、アルゴン（18）、クリプトン（36）、キセノン（54）、ラドン（86）です。

ナトリウムの最初の10個の電子、1s² 2s² 2p⁶は、ネオンの完全な電子配置と完全に一致します。そのため、ナトリウムは次のように書けます。

[Ne] 3s¹

この短縮表記は、完全表記が12個以上の項に及ぶような、より大きな原子でよく使われます。

その他の計算例

アウフバウ原理の例外

少数の元素は、充填の順序に厳密には従いません。ちょうど半分が満たされた副殻や完全に満たされた副殻は、アウフバウ原理が予測する配置よりわずかに安定なためで、s副殻の電子1個が近くのd副殻またはf副殻へ移ります。

このほかに16の元素にも、主に遷移金属、ランタノイド、アクチノイドの中に、同様の不規則性があります。例として、パラジウム（[Kr] 4d¹⁰）、白金（[Xe] 6s¹ 4f¹⁴ 5d⁹）、ウラン（[Rn] 7s² 5f³ 6d¹）が挙げられます。この計算機は、これら20個すべての元素について、単純なアウフバウ順序による予測ではなく、観測された基底状態の電子配置を保持しています。

電子配置計算機の使い方

1. 1から118までの原子番号を入力します。
2. 貴ガス表記または完全表記を選択します。
3. 元素名、元素記号、電子配置、軌道の充填図を確認します。
4. コピー​ボタンで結果をコピーします。

電子配置が重要な理由

原子の電子配置、特に最外殻電子（価電子）の配置は、他の原子とどのように結合するかを大きく左右します。周期表で同じ列にある元素は、似た価電子配置を持つため、化学的に同じように振る舞います。化学者は電子配置を使って、酸化状態、結合の種類、反応性を予測します。物理学者は、元素が吸収または放出する光の具体的な色である原子スペクトルを説明するために電子配置を使います。電子配置は量子数表記の基礎にもなります。そこでは4つの数（n、l、mₗ、mₛ）が、電子のエネルギー準位、副殻の形、軌道の向き、スピンを表します。

よくある質問

電子配置とは？ 電子配置とは、原子の副殻における電子の配置を、1s² 2s² 2p⁶のような系列で表したものです。アウフバウ原理、パウリの排他原理、フントの規則に従います。

電子配置はどのように書きますか？ 占有されている各副殻を充填順に並べ、上付き数字で電子数を示します。炭素（原子番号6）は、1s² 2s² 2p²と書きます。

貴ガス表記とは？ 完全な貴ガス配置と一致する電子を、その貴ガスの元素記号を角括弧で示す形に置き換え、残りの電子を続けて書く短縮表記です。ナトリウムは[Ne] 3s¹であり、1s² 2s² 2p⁶ 3s¹とは書きません。

クロムと銅はなぜ通常の充填パターンに従わないのですか。 半分が満たされたd副殻や完全に満たされたd副殻は、アウフバウ順序が予測する配置より安定なため、4s電子1個が3d副殻へ移ります。

副殻には何個の電子が入りますか？ s副殻には最大2個、p副殻には最大6個、d副殻には最大10個、f副殻には最大14個の電子が入ります。

価電子は周期表とどのように関係しますか？ 価電子とは、最外殻にある電子です。典型元素では、価電子の数は通常、元素の族番号と一致するため、同じ族の元素は似た反応を示します。

参考文献

1. 米国国立標準技術研究所。Ground Levels and Ionization Energies for the Neutral Atoms（NIST標準参照データベース111）。NIST 中性原子の基底準位：基底状態の電子配置は、貴ガス（希ガス）の記号を角括弧に入れて短縮されている。
2. 米国国立標準技術研究所。Electronic configurations of the elements。NIST 基底状態の電子配置（H～U）：観測された電子配置。Na [Ne] 3s¹、Fe [Ar] 3d⁶ 4s²、Cr [Ar] 3d⁵ 4s¹、Cu [Ar] 3d¹⁰ 4s¹、Ag [Kr] 4d¹⁰ 5s¹、Au [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ を含む。