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일반화학/[06장] 원자의 전자 구조

원자 오비탈에 전자를 채우는 방법 (전자 배치 순서) ★

by 영원파란 2014. 10. 1.
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원자 오비탈에 전자를 채우는 방법 (전자 배치 순서)

 

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[1] 쌓음 원리 (Aufbau principle, 축조 원리)

▶ 에너지 준위가 가장 낮은(안정한) 오비탈부터 전자가 채워진다.

에너지 준위가 가장 낮은(안정한) 오비탈부터 전자를 채운다.

> 오비탈의 에너지 준위는 “(n + l) 규칙”으로 결정.

( 참고: (n + l) 규칙 https://ywpop.tistory.com/2841 )

 

 

 

[참고] 안타깝지만,

쌓음 원리는 “전자-전자 상호작용”을 고려하지 않았기 때문에

모든 원자의 전자 배치를 예측(설명)할 수 없다.

 

오비탈의 에너지 준위는 전자-전자 상호작용을 고려한

( spin-orbit interaction 또는 spin-orbit coupling 포함 )

 

양자역학적 계산을 통해 결정할 수 있다(결정해야 된다).

 

따라서 Nb, Mo와 같은 5주기 전이 금속의 전자 배치를

단순하게 설명할 수 있는 방법은 없다.

 

 

 

 

[2] 파울리의 배타 원리 (Pauli exclusion principle)

▶ 한 원자에 있는 어떤 두 전자라도 동일한 4개의 양자수를 가질 수 없다.

즉, 한 원자에서 4개의 양자수,

(n, l, m_l, m_s) 가 똑같은 전자는 있을 수 없다.

( 참고 https://ywpop.tistory.com/2023 )

 

 

 

예) 헬륨 원자의 전자 배치

 

(a) 첫째 전자의 양자수: (1, 0, 0, +1/2), 둘째 전자의 양자수: (1, 0, 0, +1/2)

→ 배타 원리 위배

 

(b) 첫째 전자의 양자수: (1, 0, 0, –1/2), 둘째 전자의 양자수: (1, 0, 0, –1/2)

→ 배타 원리 위배

 

(c) 첫째 전자의 양자수: (1, 0, 0, +1/2), 둘째 전자의 양자수: (1, 0, 0, –1/2)

→ 배타 원리 따름

 

(d) 첫째 전자의 양자수: (1, 0, 0, –1/2), 둘째 전자의 양자수: (1, 0, 0, +1/2)

→ 배타 원리 따름

 

 

 

일단 여기까지 보면, (a),(b) 배치는 불가능하고, (c),(d) 배치는 가능하다.

그러나 아래에 나오는 훈트 규칙에 따라 (d) 배치는 불가능하다.

따라서 실제 헬륨 원자의 전자 배치는 (c)와 같다.

 

 

 

 

[3] 훈트 규칙 (Hund’s rule)

Hund’s rule of maximum multiplicity (최대 다중도 규칙)

( 참고 https://ywpop.tistory.com/9483 )

 

▶ 훈트 규칙: 에너지 준위가 같은 오비탈에 전자를 배치할 때,

즉 각운동량 양자수가 같은 오비탈에 전자를 배치할 때 적용되는 규칙.

 

짝짓지 않은 전자의 수가 최대가 되도록 채운다.

up spin(↑) 전자를 먼저 채운다.

( 2가지 규칙 모두 만족해야 된다. )

 

 

 

 

 

(a)는 “짝짓지 않은 전자의 수가 최대가 되도록 채운다”에 위배.

(b)는 “up spin 전자를 먼저 채운다”에 위배.

따라서 탄소 원자의 전자 배치는 (c)와 같다.

 

 

 

[참고] 붕소(B)부터 산소(O)까지 2p 오비탈의 전자 배치는 다음과 같다.

 

> B의 홀전자 개수 = 1

> C의 홀전자 개수 = 2

> N의 홀전자 개수 = 3

> O의 홀전자 개수 = 2

 

 

 

[주의할 것] 부껍질 내 각 오비탈의 에너지 준위는 동등(동일)하다.

예를 들어, 3개 p 오비탈의 에너지 준위는 동등하므로,

각각의 p 오비탈은 서로 구분할 수 없다.

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/8967 ] (n, l, m)이 (2, 1, –1)인 오비탈의 이름

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/9340 ] 원자 A~C의 전자배치

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2844 ] Cr, Cu의 전자배치

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2932 ] 한 벌의 양자수

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/3400 ] 원자의 바닥상태 전자배치 도표

 

 

 

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