科学・基礎／量子化学

３．電子配置

　いかなる原子も原子核の陽子の数と同じ数の電子をもっています。この電子は前項で説明した軌道のどれかに入っています。どの軌道に入るかには規則があり、各原子の基底状態（もっともエネルギーが低い状態）で電子がどの軌道に入っているかは決まっています。これを電子配置といいます。

　まず第１の規則はパウリの排他原理と呼ばれるものです。この規則は 「電子はエネルギーの低い軌道から順に入る」 というものです。

　第２の規則はフントの規則と呼ばれます。この規則は 「１つの軌道には最大２個の電子までしか入れない」 「１つの軌道に２個の電子が入るときはスピンの向きが互いに逆になる」 「エネルギーの等しい軌道に１つずつ電子が入るときはスピンの方向が同じの場合の方が安定である」 という３項目からなっています。

　具体例でみてみましょう。まず原子に属する電子を図３－１のような表し方で表示することを考えてみました。この表示法はここだけの簡易的なもので、一般的に使われているものではありません。

　四角い箱１つが１個の電子を表しています。下から順に 1s、2s、2p、3s、3p、3dの各軌道を表します。もちろん主量子数 \(n=4, 5\) に対応してもっと上にエネルギーの高い軌道がありますが、ここでは省略しています。

　箱の数が各軌道に入りうる電子数を表し、フントの規則の１番目の項目にしたがって各軌道に２個まで電子が入れるように一対の箱で各軌道を示しています。方位量子数 \(l=0\) の s 軌道には２個の電子が入れます。方位量子数 \(l=1\) の p 軌道は３つの磁気量子数 \(m=-1,0,+1\) に対応して３つあり、入れる電子数は２×３の計６個です。方位量子数 \(l=2\) のd 軌道は５つの磁気量子数に対応して５つあり、計10個の電子が入れます。

　一対の箱にはフントの規則の２番目の項目にしたがって２通りのスピン量子数の違う電子が入ります。これを表すために、ここでは色分けで赤が \(s=+1/2\)、青が \(s=-1/2\) を表すとします。無色の箱は電子の入っていない空いた軌道を示します。フントの規則によれば、赤・赤や青・青の組み合わせはあり得ないということになります。

　図３－２は周期律表の順番で各原子の電子配置を上から３列目まで示したものです。パウリの排他原理によれば、電子が１個の水素（Ｈ）原子、２個のヘリウム（Ｈｅ）原子までで 1s 軌道が埋まります。電子が３個のリチウム（Ｌｉ）原子になると次の 2s 軌道に電子が１個入り、電子が４個のベリリウム（Ｂｅ）原子で 2s 軌道も埋まります。

　電子が５個のホウ素（Ｂ）原子で電子が初めて 2p 軌道に１個入ります。つぎの電子が６個の炭素（Ｃ）原子では 2p 軌道の２番目に１番目と同じスピン量子数の電子が入っています。電子が７個の窒素（Ｎ）原子ではさらに３番目の 2p 軌道に１番目、２番目と同じスピン量子数の電子が入っています。これがフントの規則の３番目に従った結果です。

　炭素原子に戻って少し疑問になるのは、図３－３のように 2p 軌道の１番目がスピン量子数の互いに違う電子で埋まる（\(\mathrm{C}_2 \)）ことや、2p 軌道の２番目に１番目と違うスピン量子数の電子が入る（\(\mathrm{C}_1 \)）ことがなぜないのかということです。これはこれらの配置はいずれも炭素原子の電子配置の場合よりエネルギーが高く不安定になるということで説明がされています。電子配置の規則はあくまで最低のエネルギー（基底状態）のもっとも安定な状態で成り立つものです。

　これから考える有機分子は基本的には炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）を含む分子です。これに窒素（Ｎ）や酸素（Ｏ）が加わることもよくあり、さらには周期律表３列目のケイ素（シリコン、Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）などもよく登場します。これらの原子の電子配置をよく理解しておくことが重要です。

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