2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

 จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน

    จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียสโดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบและอยู่ในระดับพลังงานต่างกันเล็กตอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าไหร่ให้พิจารณาข้อมูลแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุดังตาราง

    เมื่อพิจารณาข้อมูลแล้วจะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุดคือ 2 อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุดคือแบบอิเล็กตรอนสำหรับระดับพลังงานที่ 3 จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีมากที่สุด 18 อิเล็กตรอนด้วยคือจำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้ในแต่ระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ 2n^2 เมื่อ n คือตัวเลขแสดงระดับพลังงานถ้าพิจารณาตามหลัก 2n^2 การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น 289 และจากการศึกษาพบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตามลำดับซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของธาตุทั้งสองมีเพียง 8 อิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนที่เพิ่มมา 1 และ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ทำให้ระดับพลังงานที่ 3 มีอิเล็กตรอนไม่ครบ 18 อิเล็กตรอน

ระดับพลังงานหลัก และ ระดับพลังงานย่อย

    นักเรียนทราบมาแล้วว่าโบร์เสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากันโดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น

    การอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบว์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองเห็นเป็นหนึ่งเส้นแท้จริงนั้นประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้นซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าเส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นนอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลักซึ่งแทนด้วย n แล้วยังเป็นการ พลังงานของอิเล็กตรอนจาก ระดับพลังงานหลัก ระดับพลังงานย่อย ของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วย

    นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ แนวคิดดังกล่าวนี้สามารถนำมาอธิบายสเปกตรัมของธาตุที่มีมากกว่า 1 อิเล็กตรอนได้ และจากการศึกษาเพิ่มเติมพบว่าจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละพลังงานหลักที่ 1-4

ระดับพลังงานที่ 1 (n =1) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s 

ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p 

ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d 

ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f

ออร์บิทัล

    อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกันบริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่า ออร์บิทัล การศึกษา พบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกันซึ่งสรุปได้ดังนี้

ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล 

ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล 

ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิทัล 

ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล

หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

    การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆให้พิจารณาตาม หลักอาฟบาว (Aufbau principle)ซึ่งเกี่ยวข้องกับระดับพลังงานของแต่ละออร์บิทัล กล่าวคือการบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ นั่นคือเริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำดับเพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำที่สุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด

จากแผนภาพสามารถเรียงลำดับพลังงานได้ดังนี้

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

ไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงได้เป็น โดยมีความหมายดังนี้ 

    สำหรับธาตุNa Mg Al Si P S Cl Ar K และ Ca ซึ่งมีอิเล็กตรอน 11 12 13 14 15 16 17 18 19 และ 20 ตามลำดับ สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็มและแบบย่อโดยเขียนแก๊สมีสกุลในวงเล็บแทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สมีสกุลในชั้นถัดไปและแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเฉพาะชั้นนอกสุด ดังตาราง 

 

    การบรรจุอิเล็กตรอนตามลำดับระดับพลังงานโดยการอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาวดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการนั้นเช่น ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 แสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆได้ ดังนี้

 

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6  3d^5   4s^1     2, 8, 13, 1 

    อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน  เช่น ธาตุเบริลเลียมมีการจัดเรียวอิเล็กตรอนเป็น 1s^2 2s^2 จึงมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ฯลฯ

    การบรรจุอิเล็กตรอน ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว ดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่ได้เป็นไปตามหลักการนั้น เช่น Cr มีเลขอะตอม 24 Cu มีเลขอะตอม 29 

    ธาตุที่ได้รับหรือเสียอิเล็กตรอน สามารถเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ดังนี้ 

1.กรณีที่ถ้าได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว 

2.กรณีที่ถ้าเสียอิเล็กตรอนให้บรรจุอิเล็กตรอน ตามปกติก่อนจากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก