ถ้าเรามีอิเล็กตรอนหลายตัวรอบนิวเคลียส เราจะมีวิธีบรรจุอิเล็กตรอนอย่างไร

การจัดเรียงอิเล็กตรอน(electron configuration)

     เมื่อพิจารณาโครงสร้างอะตอมของธาตุซึ่งมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่า 1 อิเล็กตรอน การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้าไปต้องอาศัยหลักการดังต่อไปนี้ เข้าไปช่วยอธิบายเพราะการแก้สมการชเรอดิงเงอร์ทำได้ยาก

     หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอน
          1. หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli Exclusion Principle)
          2. กฎของฮุนด์ (Hund’s Rule)
          3. หลักเอาฟเบา (Aufbau principle)

     สัญลักษณ์ที่ใช้ในการจัดเรียงอิเล็กตรอน
          การจัดเรียงอิเล็กตรอนเขียนแทนด้วยแผนภาพออร์บิทัล เช่น ธาตุ He มี 2 อิเล็กตรอน เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ 1s² อ่านว่า หนึ่งเอสสอง

          ช่องสี่เหลี่ยมแทนออร์บิทัล โดยแต่ละออร์บิทัลบรรจุได้ 2 อิเล็กตรอน

          จะเห็นว่า ใน 1 ออร์บิทัลมีอิเล็กตรอน 2 ตัว เพื่อที่จะให้อิเล็กตรอนสองตัวต่างกันจึงกำหนดเลขควอนตัมสปินจากภาพด้านบนนี้อิเล็กตรอนตัวที่ 1 สปินขึ้น ส่วนตัวที่ 2 สปินลง

     วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุที่ไม่มีประจุ
          ตัวอย่าง การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุนิเกิล (Ni) ซึ่งเป็นธาตุที่พบในทองเหลือง สัญลักษณ์ของธาตุคือ
               จากสัญลักษณ์ของธาตุ พบว่า Ni มีอิเล็กตรอน 28 ตัว จัดเรียงอิเล็กตรอนได้ดังนี้

          1. จัดตามแผนผังการจัดเรียงอิเล็กตรอน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ Ni ซึ่งมี 28 อิเล็กตรอน เขียนได้เป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸

          2. จัดเรียงตามระดับพลังงาน

                   การจัดเรียงอิเล็กตรอนของ Ni ซึ่งมี 28 อิเล็กตรอน เขียนได้เป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸
                   จากการจัดเรียงอิเล็กตรอนของ Ni จะสังเกตเห็นว่า Ni มีอิเล็กตรอนเดี่ยวใน 3d ออร์บิทัล ทำให้มีสมบัติทางแม่เหล็กเป็น paramagnetic คือ สารที่แม่เหล็กดูด
                   บางธาตุมีสมบัติทางแม่เหล็กเป็น diamagnetic เช่น ธาตุนีออน(Ne) มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p⁶

     1s²          2s²                     2p⁶                    

                   จะเห็นว่าอิเล็กตรอนของ Ne จับคู่กันหมด จึงมีสมบัติทางแม่เหล็กเป็น diamagnetic ซึ่งจะถูกแม่เหล็กผลักเล็กน้อย

          3. จัดโดยอาศัยตารางธาตุ

               ธาตุในคาบที่ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 มีค่า n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ตามลำดับ
               ธาตุในหมู่ IA และ IIA อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอยู่ใน s ออร์บิทัล
                     ธาตุในหมู่ IIIA ถึง VIIIA อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอยู่ใน p ออร์บิทัล
                     ธาตุทรานสิชัน(transition) อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอยู่ใน d ออร์บิทัล
                     ธาตุทรานสิชันชั้นใน(inner transition) อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอยู่ใน f ออร์บิทัล
               จำนวนอิเล็กตรอนคือลำดับของธาตุนั้นในกลุ่มออร์บิทัลว่าอยู่ธาตุที่เท่าใดนับจากซ้ายไปขวา
              
          การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุในตารางธาตุ ถ้าต้องการทราบการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุใดให้คลิก(click) ที่ธาตุนั้น     

     จากแผนภาพการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุต่าง ๆ จะเห็นว่า
           จากเลขควอนตัมแม่เหล็ก(m_l) เราทราบจำนวนออร์บิทัลใน s, p, d, f ว่ามี 1, 3, 5 และ 7 ออร์บิทัล ตามลำดับ
          การบรรจุอิเล็กตรอนให้จัดเรียงในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำก่อน ตามหลักเอาฟบาว
          การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากัน ให้จัดเรียงอิเล็กตรอนเดี่ยวในออร์บิทัลให้เต็มก่อน ตามหลักของฮุนด์
           จะสังเกตเห็นว่า ธาตุในคอลัมน์เดียวกันจะมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน(อิเล็กตรอนวงนอกสุด)เท่ากัน เช่น

                    O          [He] 2s² 2p⁴
                    S          [He] 3s² 3p⁴

               ทำให้ธาตุ O กับ S มีสมบัติทางเคมีส่วนใหญ่คล้ายกัน มีส่วนที่ต่างกันเล็กน้อย เพราะอิเล็กตรอนวงนอกสุดของ O อยู่ในระดับพลังงานที่ 2 แต่ของ S อยู่ในระดับพลังงานที่ 3

     วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนของไอออนของธาตุ
          1. จัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุหลัก เช่น Ni จัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹
          2. ถ้าไอออนของธาตุนั้นมีประจุบวก คือ เสียอิเล็กตรอนไปเท่ากับจำนวนประจุ เช่น Li⁺ เสีย 1 อิเล็กตรอน, Ni²⁺ เสีย 2 อิเล็กตรอน เป็นต้น โดยอิเล็กตรอนที่เสียไป คือ อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุด

                    Ni     : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸
                    Ni²⁺ : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸

          3. ถ้าไอออนของธาตุนั้นมีประจุลบ คือ รับอิเล็กตรอนมาเท่ากับจำนวนประจุ เช่น Cl^- รับ 1 อิเล็กตรอน, O^2- รับ 2 อิเล็กตรอน เป็นต้น

                    Cl  : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
                    Cl^- : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶