การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

                                               การจัดอิเล็กตรอนในอะตอม

       การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ โดยใช้หลักดังนี้
       1.  จากเลขอะตอมทราบจำนวน  p  ซึ่งเท่ากับจำนวน  e-
       2.  หาจำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานได้จากสูตร 
            จำนวน  e-  ในระดับพลังงาน =  2n²
       3.  จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุด (เวเลนต์อิเล็กตรอน) ของธาตุแต่ละชนิดจะมีได้ไม่เกิน 8 e-
       4.  อิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดจากวงนอกสุดของธาตุแต่ละชนิด มีได้ไม่เกิน 18 e-  (อาจเป็น  8 e- 
            หรือ  18 e-  ยกเว้นพวกแทรนซิชัน)
       5.  การจัดเรียงอิเล็กตรอนต้องจัดเรียงในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าให้เต็มก่อน  แล้วจึงใส่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น
ตัวอย่าง    มีเลขอะตอม   = 11  หมายความว่า  มี  p     =   e-  =  11
              ระดับพลังงานที่ 1 (ชั้น K)   ของ  Na  มี   e-  =   2n²    =   2 x 1²    =  2 e-
              ระดับพลังงานที่ 2  (ชั้น L)  ของ  Na  มี   e-  =   2n²     =    2 x 2²  =  8 e-
              ระดับพลังงานที่ 3  (ชั้น M)   มี e-  ได้          =  2 x 3²  =  18 e-
              แต่ของ  Na  บรรจุในระดับพลังงานที่ 1  และ 2  ไปแล้ว  10 e-  เหลืออีก  1 e- เท่านั้น 
เพราะฉะนั้น  ระดับพลังงานที่ 3  ของโซเดียมอะตอมจึงมีเพียง  1 e- 
                  ดังนั้นจึงเรียง  e-  ของ    ได้เป็น    2 , 8, 1
หมายเหตุ    ปกติอิเล็กตรอนที่อยู่รอบ ๆ นิวเคลียสวิ่งไปทุกทิศทุกทางมิได้วิ่งเป็นวงกลม  แต่เพื่อความสะดวก
                ในการศึกษา  จึงเขียนรูปออกมาในลักษณะวงกลม
       การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักของอะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมาก ๆ  จะเกิดปัญหาในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3  และระดับพลังงานที่ 4  การที่แต่ละระดับพลังงานมีจำนวนอิเล็กตรอนมาก  ทำให้เกิดปัญหาว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้อยู่ในระดับพลังงานเดียวกันได้อย่างไร  จึงไม่ผลักกัน  นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาการจัดเรียงอิเล็กตรอนต่อไปอีกเพื่อแก้ปัญหาดัง กล่าว  และได้สรุปว่าแต่ละระดับพลังงานยังมีระดับพลังงานย่อย เรียกว่า Energy  Sublevel  และภายในระดับพลังงานย่อยยังประกอบด้วยออร์บิทัลอีกด้วย

 ระดับพลังงานย่อยแบ่งออกได้ดังนี้
         1.  ระดับพลังงานย่อย   s (sharp)          มีอิเล็กตรอนอยู่ได้ไม่เกิน  2
         2.  ระดับพลังงานย่อย   p (principal)      มีอิเล็กตรอนอยู่ได้ไม่เกิน  6
         3.  ระดับพลังงานย่อย   d (diffuse)         มีอิเล็กตรอนอยู่ได้ไม่เกิน  10
         4.  ระดับพลังงานย่อย   f (fundamental)  มีอิเล็กตรอนอยู่ได้ไม่เกิน  14
ออร์บิทัล  หมายถึง  บริเวณที่อยู่ของอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานย่อย  ซึ่งแต่ละ
ออร์บิทัลจะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน  2  ตัว    
สัญลักษณ์แสดงจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย
                                                                  จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย
                                                              1 s²
                                           ระดับพลังงานที่                ชนิดของระดับพลังงานย่อย
การจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยจะต้องจัดตามลำดับดังนี้
1s,  2s,  2p,  3s,  3p,  4s,  3d,  4p,  5s,  4d,  5p,  6s,  4f,  5d,  6p,  7s,  5f,  6d,  7p 
จะเห็นได้ว่าเราจะต้องจัดอิเล็กตรอนลงในระดับพลังงานย่อย  4s  ก่อน  3d,  5s  ก่อน  4d  ฯลฯ
       การเรียงลำดับพลังงานที่จะทำให้จำได้ง่ายขึ้นคือ  ทำเป็นแผนภาพออร์บิทัล  ดังตาราง  แล้วเติมอิเล็กตรอน
จากออร์บิทัลบนสุดก่อน  ออร์บิทัลต่อ ๆ มาให้เติมจากปลายลูกศรลงมาเรื่อย ๆ  เมื่อ ถึงหัวลูกศรก็ไปเริ่มใหม่จาก
ออร์บิทัลที่อยู่ปลายลูกศร  จะได้ลำดับพลังงานเหมือนข้างต้น
ระดับพลังงาน จำนวนระดับพลังงานย่อยหรือออร์บิทัลที่อยู่ในแต่ละระดับพลังงาน
                                       
                        ภาพจาก  http://www.google.co.th/imglanding?
ตัวอย่าง   จงจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย (Electron   configuration)
              โดยเรียงจากพลังงานต่ำ ไปหาสูงของธาตุอะลูมิเนียม  ( ₁₃Al )    โพแทสเซียม (₁₉K )  ,
               สแกนเดียม ( ₂₁Sc)  และ  รูบิเดียม ( ₃₇Rb)   
วิธีทำ       การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ  Al  คือ  1s²   2s²   2p6   3s²   3p¹     หรือ  2   8   3
              การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ  K  คือ  1s²   2s²   2p⁶   3s²   3p⁶   4s1   หรือ   2   8   8   1
   การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ  Sc  คือ  1s²   2s²   2p6   3s²   3p⁶   4s²   3d¹   หรือ  2   8   9   1
   การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ  Rb  คือ  1s²   2s²   2p⁶   3s²   3p⁶   4s²   3d¹⁰   4p⁶  5s¹  หรือ   2  8   18   8    1
 ข้อสังเกต
       จากการกระจายอิเล็กตรอนออกสู่ระดับพลังงานต่าง ๆ ของธาตุหมู่ IA-VIIIA ซึ่งเราเรียกธาตุพวกนี้ว่า 
ธาตุเรพรีเซนเตตีฟ
       1.  พบว่าทุกธาตุยกเว้น  He  มีเวเลนต์อิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุด)  เท่ากับ
            หมายเลขหมู่ที่ธาตุนั้นสังกัดอยู่ในตารางธาตุ
       2.  พบว่าทุกธาตุมีจำนวนระดับพลังงาน  เท่ากับหมายเลขคาบที่ธาตุนั้นสังกัดอยู่ในตารางธาตุ  ดังนั้น
           ในกรณีที่โจทย์กำหนดเลขอะตอมของธาตุใด ๆ ให้แล้วถามว่าธาตุนั้นอยู่หมู่ใด  คาบใด  ในตารางธาตุ 
ให้ใช้แนวคิดนี้
      1.  จากเลขอะตอม  ทราบจำนวนโปรตอน  แต่อะตอมอิสระมีจำนวนโปรตอนเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน
      2. เมื่อทราบจำนวนอิเล็กตรอนก็กระจายอิเล็กตรอนออกสู่ระดับพลังงานต่าง ๆ จะทราบ
          จำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอน  และจำนวนระดับพลังงาน
      3.  ใช้หลักว่า   จำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอน      =     หมายเลขหมู่
                           จำนวนระดับพลังงาน            =     หมายเลขคาบ
ตัวอย่าง   Ca  มีเลขอะตอม  20  อยู่ในหมู่ใด  คาบใดในตารางธาตุ
วิธีคิด      เลขอะตอม  =  20   แสดงว่ามี  p  =   e-  =  20
             กระจายอิเล็กตรอนได้เป็น    2, 8, 8, 2
             เวเลนต์อิเล็กตรอน   =  2   แสดงว่าอยู่หมู่   2
             มีจำนวนระดับพลังงาน = 4   แสดงว่าอยู่ในคาบที่ 4
             จำนวนระดับพลังงานย่อยในระดับพลังงานหลักหนึ่ง ๆ  จะมีได้เท่ากับลำดับที่ของระดับพลังงาน
             (กฎนี้ใช้ได้เฉพาะ 4  ระดับพลังงานแรก)   เช่นการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย 
             ต้องจัดอิเล็กตรอนลงในระดับพลังงานย่อยของระดับพลังงานต่ำๆ ก่อน  เมื่อเต็มแล้วจึงจัดอิเล็กตรอน
             ลงในระดับพลังงานย่อยของระดับพลังงานสูงขึ้นไป  แต่หลักอันนี้  ใช้ได้เฉพาะ  18  ธาตุแรก  เท่านั้น