การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
2.3.1 จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน
การศึกษาแบบจำลองอะตอมทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียสโดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบรอบและอยู่ในระดับพลังงานต่างกันเล็กตอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าไหร่ให้พิจารณาข้อมูลแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุ

มื่อพิจารณาข้อมูลแล้วจะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 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
2.3.2 ระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย
นักเรียนทราบมาแล้วว่าโบเสนอแบบจำลองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่างพลังงานของแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปก็ไม่เท่ากันโดยความแตกต่างของพลังงานจะมีค่าน้อยลงเมื่อระดับพลังงานสูงขึ้นการอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบว์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสงออกมาและมองเห็นเป็นหนึ่งเส้นแท้จริงนั้นประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้นซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าเส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นนอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลักซึ่งแทนด้วย n แล้วยังเป็นการ พลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อยของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ
ระดับพลังงานที่ 1 (n = ) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d และระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d ตามลำดับแนวคิดดังกล่าวนี้สามารถนำ มาอธิบายสเปกตรัมของธาตุที่มีมากกว่า 1 อิเล็กตรอนได้ และจากการศึกษาเพิ่มเติมพบว่าจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานหลักที่ 1 – 4 เป็นดังนี้

                            

สามารถสรุปได้ว่า
                         ระดับพลังงานหลักที่ 1 (n = 1) มี1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
                         ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n = 2) มี2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p
                         ระดับพลังงานหลักที่ 3 (n = 3) มี3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d
                         ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n = 4) มี4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f

2.3.3 ออร์บิทัล
อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่ในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกันบริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่าออเรนทอลการศึกษา พบว่าจำนวนออร์บิทัลในแต่ละพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกันซึ่งสรุปได้ดังนี้
ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อยดีมี 5 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล
2.3.4 หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
     การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่ง ๆ ให้พิจารณาตาม หลักอาฟบาว (Aufbau principle) ซึ่งเกี่ยวข้องกับลำ ดับพลังงานของแต่ละออร์บิทัล กล่าวคือการบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัล ที่มีพลังงานต่ำ สุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ ดังรูป 2.17 นั่นคือเริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำ ดับ เพราะจะทำ ให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำ ที่สุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด
สำหรับธาตุHe Li Be B C N O F Ne Na และ Mg ซึ่งมีอิเล็กตรอน 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 และ 12 ตามลำ ดับ สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็ม และแบบย่อโดยเขียนแก๊สมีสกุลในวงเล็บแทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สมีสกุลในชั้นถัดเข้ามา และแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเฉพาะชั้นนอกสุด

อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน การบรรจุอิเล็กตรอน ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว ดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่ได้เป็นไปตามหลักการนั้น เช่น Cr มีเลขอะตอม 24 Cu มีเลขอะตอม 29 ธาตุที่ได้รับหรือเสียอิเล็กตรอน สามารถเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ดังนี้ 1.กรณีที่ถ้าได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลัก อาฟบาว 2.กรณีที่ถ้าเสียอิเล็กตรอนให้บรรจุอิเล็กตรอน ตามปกติก่อนจากนั้นจึงนำอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดออก