전자 배치 및 오비탈 도구

전자 배치는 원자 안 모든 전자의 주소 목록입니다 — 어느 껍질, 어느 부껍질, 어느 오비탈에 사는지. 원자 속 전자는 손님이 아닙니다. 화학은 거의 전부 가장 바깥 전자들이 더 낮은 에너지 배치를 찾는 이야기이므로, 전자가 어디 앉는지 배우는 것은 주기율표가 왜 그 모양인지, 나트륨이 왜 한 번 타고 탄소가 네 번 타는지, 철이 왜 자성을 띠는지를 배우는 일입니다. 세기는 바깥에서 안으로 작동합니다. 중성 원자는 정확히 Z개의 전자를 가지며, Z만으로 전체 목록이 결정됩니다.

껍질은 n = 1, 2, 3...으로 표시된 에너지 준위이고, 각 껍질은 s, p, d, f로 표시된 부껍질을 담으며, 각 부껍질은 오비탈들 — 전자가 발견될 가능성이 가장 높은 영역 — 로 이루어집니다. 오비탈은 궤도가 아닙니다. 확률 구름이며, s는 구형, p는 아령형, 대부분의 d 오비탈은 클로버형입니다(위의 형상 패널이 렌더링합니다). 수용량은 빠르게 쌓입니다:

네 양자수는 각 전자에 고유한 주소를 줍니다: n(껍질), l(부껍질), m_l(어느 오비탈, −l부터 +l까지), m_s(스핀, ±½). 파울리의 배타 원리는 한 원자 안의 두 전자는 네 양자수를 모두 공유할 수 없다는 말일 뿐입니다.

아우프바우어 순서 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d...은 껍질의 내림차순이 아닙니다 — 첫 3d 오비탈은 에너지가 4s보다 위에 있어서, 칼륨(Z=19)과 칼슘(20)은 3d 블록이 시작되기 전에 4s를 채웁니다. 철(Z=26)은 [Ar]4s²3d&sup6;에 홀전자 네 개로 착지하는데, 이것이 강한 상자성의 정확한 이유이며 — 이 페이지가 한 번의 클릭으로 계산해 줍니다. 그다음 스무 개쯤 되는 원소들이 예측을 어깁니다. 크로뮴은 [Ar]4s¹3d⁵, 구리는 [Ar]4s¹3d¹⁰를 취해, 4s 전자 하나를 반쯤 찬 또는 꽉 찬 d 부껍질과 맞바꿉니다. 둘 다 비정상적으로 안정합니다. 이온 형성은 이 트릭의 방향을 뒤집습니다. 4s 전자가 먼저 떠나므로 Fe²⁺은 [Ar]3d⁶입니다. 주기율표의 모양은 이 순서를 크게 그린 것입니다. 각 블록은 하나의 부껍질 채움이고, 원자가 배치가 반복되기에 화학이 반복됩니다.

내각 전자(안쪽 껍질, [Ar] 같은 비활성 기체 축약에 묻힌 것들)는 구경꾼입니다. 원자가 전자 — 가장 바깥 s와 p(그리고 부분적으로 찬 d)에 있는 것들 — 이 모든 결합을 합니다. 주족 원소의 족 번호 가 원자가 수입니다. Na는 1, Mg는 2, ... Cl은 7. 그래서 배치 패널의 축약 표기가 중요합니다. [Ar]4s²3d⁶는 철의 화학이 그 3d 껍질에 산다는 것을 한눈에 알려줍니다. 짝 없는 원자가 전자는 자기 판정도 결정합니다. 홀전자가 하나라도 있으면(Fe는 4개) 원자는 상자성 — 자기장에 끌려 들어갑니다. Zn([Ar]3d¹⁰4s²)처럼 모두 짝지어진 원자는 반자성이며 약하게 밀어냅니다.

• 전자는 행성처럼 공전한다. 오비탈은 확률 구름입니다 — 전자가 있을 가능성이 높은 영역의 90% 경계 — 이고, 전자가 "움직인다"는 말은 구름이 시간에 따라 정적이지 않다는 의미일 뿐입니다.
• 4s가 먼저 차니 마지막에 이온화된다. 3d 전자가 도착하면 4s를 에너지 위로 밀어올리고, 양이온은 4s를 먼저 잃습니다(Fe²⁺, Cu⁺).
• 꽉 찬 부껍질이 상자성을 만든다. 정반대입니다. 꽉 찼다는 것은 모든 전자가 짝지어졌다는 뜻이고, 따라서 반자성입니다 — Zn([Ar]3d¹⁰4s²)은 반자성이고, 원자 상태의 Cu는 4s¹ 전자를 짝 없이 유지해 상자성이며, 이 페이지의 Cu 샘플이 정확히 그렇게 보고합니다.
• 반쯤 찬 껍질은 모두에게 마법이다. 안정성 보너스는 축퇴 오비탈(다섯 개의 3d 같은)에 적용됩니다. s, p, d, f는 언제나 같은 세 규칙으로 채워지며 — 원소별 별도 "양자 규칙"은 없습니다.

관련 도구: 주기율표(채움 순서가 만드는 블록 보기), 결합 및 VSEPR(그 원자가 전자들이 만드는 것), 핵화학(Z가 세는 그 핵).