電子配置（入試実例）

電子配置について，入試実例（2023年名古屋大学）を解きながら解説する。

グレーバックの部分が入試からの引用で，今回のテーマと関係のない部分を一部割愛している。なお，解答・解説は浜島書店が作成したものである。

次の文章を読んで，設問に答えよ。

原子の中の電子は，K殻，L殻，M殻，N殻…という電子殻に収容される。電子殻中にはさらに，電子が収容される軌道というものが存在し，各軌道には最大2個まで電子が収容される。これらの軌道はs軌道，p軌道，d軌道，f軌道と分類される。さらに，軌道の名称には軌道を表すアルファベットの前に，K殻では1，L殻では2…と数字をつける。電子殻に存在する軌道の数と収容できる電子数は表1のようになる。

第4周期の遷移元素は最外殻電子の数が1または2という共通の特徴をもつ。原子の電子配置では，「1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d…」のようにエネルギーの低い軌道から順に電子が入っていくことが多い。アルゴン原子 \mathsf{Ar} では3p軌道まで電子が入っているが，次の周期のカリウム原子 \mathsf{K} とカルシウム原子 \mathsf{Ca} では4s軌道に電子が入る。さらに，スカンジウム原子 \underline{\mathsf{Sc}} 以降の遷移元素になると4s軌道と3d軌道へ部分的に電子が入るようになる。その結果，最外殻の電子数が1または2となる。

（中略）

設問⑴　表1の空欄 \fbox{\text{　ア　}} 〜 \fbox{\text{　オ　}} にあてはまる整数を記せ。

s軌道には1個，p軌道には3個，d軌道には5個の軌道がある。各軌道には2個の電子が収容できる。

また，最大収容電子数は，K殻が2個，L殻が8個，M殻が18個，N殻が32個で，n 番目の電子殻では 2n^2 個になる。

解答

ア　5　　イ　10　　ウ　18　　エ　14　　オ　32

設問⑵　（省略）

設問⑶　下線部に関して，第4周期のクロム原子 \mathsf{Cr} と銅原子 \mathsf{Cu} だけは4s軌道に電子が1個，他は4s軌道に電子が2個入る。したがって，第4周期の3〜11族の元素の中で3d軌道の電子数が同数となる原子が1組存在する。それらの原子番号と3d軌道の電子数を答えよ。

3d軌道には軌道が5つあり，各軌道には2個ずつ電子を収容できる。電子は，各軌道に1個ずつ入っていき，すべての軌道に電子が1個ずつ入った後，2個目の電子が収容されていく。

3d軌道の各軌道に1個ずつ，合計5個の電子が入ったとき，エネルギーが低い状態になる。そのため，次のように，クロム \mathsf{_{24}Cr} では，4s軌道に2個目の電子が入る前に，3d軌道に5個目の電子が入る。

バナジウム \mathsf{_{23}V} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(2)，3d(3)
クロム \mathsf{_{24}Cr} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(1)，3d(5)
マンガン \mathsf{_{25}Mn} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(2)，3d(5)

なお，収容される電子数を(　)で示した。

また，銅 \mathsf{_{29}Cu} では，4s軌道に2個目の電子が入る前に，3d軌道に10個目の電子が入る。

ニッケル \mathsf{_{28}Ni} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(2)，3d(8)
銅 \mathsf{_{29}Cu} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(1)，3d(10)
亜鉛 \mathsf{_{30}Zn} 　1s(2)，2s(2)，2p(6)，3s(2)，3p(6)，4s(2)，3d(10)

亜鉛は12族の元素なので，題意には合わない。満たす元素はクロム \mathsf{_{24}Cr} とマンガン \mathsf{_{25}Mn} である。

解答

原子番号　24と25　　3d軌道の電子数　5

（以下省略）