원자의 전자 배치






오비탈

물질을 이루는 원자는 중심에 (+)전하를 띠는 원자핵이 있고, 그 주위에 (-)전하를 띠는 전자들이 있습니다.
원자를 이루는 전자들은 특정한 규칙(파동함수)에 따라 배치되는데, 이것을 ‘오비탈’이라고합니다.
원자내에서 전자들은 ‘껍질(층)’을 이루며, 각 껍질은 여러 종류의 오비탈로 이루어져 있습니다.

오비탈의 종류

원자내 각 껍질마다 포함되어 있는 오비탈의 종류가 서로 다릅니다.
예를 들면 이렇습니다.

  1. 가장 안쪽 껍질(n=1)에는 s 오비탈만 있습니다.
  2. 두 번째 껍질(n=2)에는 s 오비탈과 p 오비탈이 있습니다.
  3. 세 번째 껍질(n=3)에는 s, p, d 오비탈이 있습니다.
  4. 네 번째 껍질(n>=4)부터는 s, p, d, f 오비탈이 있습니다.

각 오비탈에는 들어갈 수 있는 전자의 개수가 정해져 있습니다.

  1. s 오비탈에는 전자 2개가 들어갈 수 있습니다.
  2. p 오비탈에는 전자 6개가 들어갈 수 있습니다.
  3. d 오비탈에는 전자 10개가 들어갈 수 있습니다.
  4. f 오비탈에는 전자 14개가 들어갈 수 있습니다.

각 오비탈은 전기적인 위치에너지가 조금씩 다릅니다.

s < p < d < f

s 오비탈은 에너지가 가장 낮아서 전자들이 가장 안정되게 있을 수 있습니다.
만약 같은 껍질의 s 오비탈과 p 오비탈이 모두 비어 있다면, 전자들은 우선적으로 s 오비탈을 먼저 채우려 합니다.

전자들이 채워지는 규칙

안정된 상태의 원자에서는 전자들이 가장 안쪽 껍질부터 채워집니다.
같은 껍질에서는 s, p, d, f 오비탈 순서대로 전자들이 채워집니다.
즉, s → p → d → f 순서로 가면서 에너지가 높아지면서 불안도가 올라갑니다.

껍질 수가 3을 넘어가면 에너지 경계가 불명확해지기 시작합니다.
예를들어, 3d 오비탈에 비해 4s 오비탈은 더 낮은 에너지 값을 가집니다. 따라서 3d 오비탈에 전자가 채워지기 전에 4s 오비탈에 전자가 먼저 채워집니다.
마찬가지로 4d 오비탈에 전자가 채워지기 전에 5s 오비탈에 먼저 채워집니다.

이외에 전자들은 가급적 쌍(짝수)으로 있으려는 성질이 있습니다.
또, 전자들이 상위 오비탈을 먼저 가득히 채우면서 안정해지는 경우도 있습니다. 이 경우 전자들이 상위 오비탈을 먼저 채워버리는 예외상황이 일어납니다.

* 위 가상실험에서 보여지는 전자 배치는 위키백과의 데이터를 참고하였습니다.