2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

จากการศึกษาแบบจำลองอะตอมโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์ขั้นสูงที่เรียกว่าสมการคลื่น คำนวณหาค่าพลังงานอิเล็กตรอน ทำให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่รอบ ๆ และอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่กันอย่างไร ในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด ให้นักเรียนพิจารณาข้อมูลจากตารางแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุ
เวเลนซ์อิเล็กตรอนเวเลนซ์อิเล็กตรอน คือ จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดหรือสูงสุด ของแต่ละธาตุจะมีอิเล็กตรอนไม่เกิน 8
การจัดอิเล็กตรอน มีความสัมพันธ์กับการจัดหมู่และคาบอย่างไร

1. เวเลนซ์อิเล็กตรอน จะตรงกับเลขที่ของหมู่ ดังนั้น ธาตุที่อยู่หมู่เดียวกันจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน 

2. จำนวนระดับพลังงาน จะตรงกับเลขที่ของคาบ ดังนั้น ธาตุในคาบเดียวกันจะมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน เช่น 35 Br มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนดังนี้ 2 , 8 , 18 , 7 ดังนั้น Br จะอยู่ในหมู่ที่ 7 เพราะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 7 และอยู่ในคาบที่ 4 เพราะมีจำนวนระดับพลังงาน 4

หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอน

1. จะต้องจัดเรียงอิเล็กตรอนเข้าในระดับพลังงานต่ำสุดให้เต็มก่อน จึงจัดให้อยู่ระดับพลังงานถัดไป

2. เวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเกิน 8 ไม่ได้

3. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดเข้าไปของธาตุในหมู่ IA , IIA เท่ากับ 8 ส่วนหมู่ IIIA – VIIIA เท่ากับ 18

การจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย

จากการศึกษาสเปกตรัมและกลศาสตร์ควันตัมของคลื่น ทำให้ทราบว่า ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน ในระดับพลังงานเดียวกัน ยังแบ่งเป็นระดับพลังงานย่อยต่างๆ ซึ่งมี 4 ระดับพลังงานย่อย ได้แก่ s , p , d , f subshell แต่ละระดับพลังงานย่อย จะมีจำนวนอิเล็กตรอนต่างๆกัน

เมื่อพิจารณาข้อมูลในตารางจะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุดคือ 2 อิเล็กตรอน ระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุด 8 อิเล็กตรอน สำหรับระดับพลังงานที่ 3 นั้น จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน

หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานเป็นดังนี้

จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุด ( valence electron ) มีได้ไม่เกิน 8 อิเล็กตรอน และจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานวงถัดเข้ามามีได้ไม่เกิน 18 อิเล็กตรอน

ระยะห่างระหว่างแต่ละระดับพลังงานจะไม่เท่ากัน n = 1 และ n = 2 จะอยู่ห่างกันมากที่สุด และระยะห่างระหว่างระดับพลังงานจะน้อยลงเรื่อยๆ เมื่อระดับพลังงานสูงขึ้น

จำนวนระดับพลังงานของอะตอมของธาตุจะบอกถึง “ คาบ ”

จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะบอกถึง “ หมู่ ”

ระดับพลังงานหลักและระดับพลังงานย่อย   

จากการเรียงอิเล็กตรอนของธาตุในระดับพลังงานหลักทำให้ทราบว่า

1. จำนวนระดับพลังงานหลักของอิเล็กตรอนทำให้ทราบว่าธาตุนั้นอยู่คาบใด ถ้าธาตุมีจำนวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากันแสดงว่าธาตุนั้นอยู่ในคาบเดียวกันเช่น
Mg มีเลขอะตอม 12 มีการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานดังนี้ 2, 8, 2   Mg มี 3 ระดับพลังงาน
S มีเลขอะตอม 16 มีการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานดังนี้ 2, 8, 6   S มี 3  ระดับพลังงาน  
แสดงว่า Mg และ S อยู่ในคาบเดียวกัน

2. จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน หรืออิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุด ทำให้ทราบหมู่ของธาตุ ถ้าธาตุมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากันแสดงว่าธาตุนั้นอยู่ในหมู่เดียวกันเช่น 
Na    มีเลขอะตอม 11     มีการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานดังนี้ 2, 8, 1    Na   มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1
K   มีเลขอะตอม  19     มีการจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานดังนี้ 2, 8,8, 1   K มี เวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 
 แสดงว่า ธาตุ Na และ K อยู่ในหมู่เดียวกัน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย

            การจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก ทำให้แต่ละระดับพลังงานมีจำนวนอิเล็กตรอนมากจึงเกิดปัญหาว่าอิเล็กตรอนเหล่านั้นอยู่ในระดับพลังงานเดียวกันได้อย่างไร ทำไมจึงไม่ผลักกัน เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาเกี่ยวกับระดับพลังงานย่อยเพื่อกระจายอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงานหลัก เข้าสู่ระดับพลังงานย่อย โดยอาศัยรูปแบบโคจรของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นเกณฑ์ในการแบ่งอิเล็กตรอนเป็นกลุ่มย่อย ๆ และเรียกรูปแบบวงโคจรนี้ว่าออร์บิทัล (Orbital) โดย 1 ออร์บิทัลจะมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 2 อิเล็กตรอน ระดับพลังงานย่อยมี 4 ระดับ คือ s, p, d, f โดยระดับพลังงานย่อยมี

s มี 1 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน

p มี 3 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 6 อิเล็กตรอน

d มี 5 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 10 อิเล็กตรอน

f  มี 7 ออร์บิทัล บรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 14 อิเล็กตรอน

ที่มา : https://www.baanjomyut.com