การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน
จากการศึกษาแบบจำลองอะตอม ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบๆและอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด พิจารณา ดังตาราง

พิจารณาข้อมูลในตารางจะพบว่า จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่1 มีได้มากที่สุด 2 อิเล็กตรอน ระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุด 8 อิเล็กตรอน สำหรับระดับพลังงานที่ 3 นั้นจากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้ในแต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ2n² เมื่อ n คือตัวเลขแสดงระดับพลังงาน

ถ้าพิจารณาตามหลัก2n² การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น 2 8 9 และ 2 8 10 ตามลำดับ เนื่องจากในระดับพลังงานที่ 3 ควรมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดถึง 18 อิเล็กตรอน แต่จากการศึกษาพบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของทั้งสองธาตุนี้มีเพียง 8 อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนที่เพิ่มมาอีก 1 และ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ทำให้ระดับพลังงานที่ 3 มีอิเล็กตรอนไม่ครบ 18 

ระดับพลังงานหลัก และระดับพลังงานย่อย

โบร์เสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากัน โดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลง เมื่อมีระดับพลังงานสูงขึ้น 

การอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบร์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองไม่เห็นเป็น 1 เส้นนั้นแท้จริงแล้วประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้น ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่า เส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้น นอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลัก (principle energy levels หรือ shell) ซึ่งแทนด้วย n แล้ว ยังเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อย (energy sublevels หรือ subshell ) ของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วย 

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

แผนภาพระดับพลังงานของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน

ระดับพลังงานหลักที่ 1 (n = 1)  มี 1 ระดับพลังงานย่อย คือ s

ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2)  มี 2 ระดับพลังงานย่อย คือ s p

ระดับพลังงานหลักที่ 3 (n = 3)  มี 3 ระดับพลังงานย่อย คือ s p d 

ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4)  มี 4 ระดับพลังงานย่อย คือ s p d f

ออร์บิทัล

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา ความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจึงอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกัน บริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสจะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่า ออร์บิทัล (orbital) จากการศึกษาพบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละระดับพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกัน ซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้

ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิทัล

ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล

แผนภาพระดับพลังงานที่แสดงจำนวนออร์บิทัล 

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในออร์บิทัลที่อยู่ในระดับพลังงานย่อย s p d และ f ดังตาราง

จากตาราง จะเห็นว่าจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่ากับ 2 6 10 และ 14 ตามลำดับ แต่เนื่องจากพลังงานย่อย s p d และ f มี 1 3 5 และ 7 ออร์บิทัลตามลำดับ แสดงว่า 1 ออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 อิเล็กตรอน 

หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆให้พิจารณาตาม หลักอาฟบาว (Aufbau principle)ซึ่งเกี่ยวข้องกับระดับพลังงานของแต่ละออร์บิทัล กล่าวคือการบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ นั่นคือเริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำดับเพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำที่สุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด1s¹ 

แผนภาพแสดงลำดับการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ

จากแผนภาพสามารถเรียงลำดับพลังงานได้ดังนี้

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

ไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงได้เป็น โดยมีความหมายดังนี้ 

สัญลักษณ์การจัดเรียงอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอม

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

 

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶  3d⁵   4s¹     2, 8, 13, 1 

1.กรณีที่ธาตุได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาว เช่น 

 Cl ^-    มีประจุลบ 1 แสดงว่า อะตอมของ Cl รับอิเล็กตรอนมา 1 ตัว

 O ^2-   มีประจุลบ 2 แสดงว่า อะตอมของ O รับอิเล็กตรอนมา 2 ตัว

 N ^3-   มีประจุลบ 3 แสดงว่า อะตอมของ N รับอิเล็กตรอนมา 3 ตัว 

2.กรณีที่ธาตุเสียอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนตามปกติก่อน จากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก เช่น 

 Na ⁺   มีประจุบวก 1 แสดงว่า อะตอมของ Na สูญเสียอิเล็กตรอนไป 1 ตัว
 Mg ²⁺ มีประจุบวก 2 แสดงว่า อะตอมของ Mg สูญเสียอิเล็กตรอนไป 2 ตัว
 Al ³⁺  มีประจุบวก 3 แสดงว่า อะตอมของ Al สูญเสียอิเล็กตรอนไป 3 ตัว