Ca에서의 전자배치와 오비탈 개념 설명

Question

Ca의 전자 배치가

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

이라고 하는데 L 껍질에는 s, p 오비탈에서 합해서 8개를 채우고 M껍질에서는 s오비탈에서 2개, p오비탈에서 6개를 채운 다음 N 껍질을 채우게 되는데 왜 그런가요? 제가 배울 때는 K에서는 2개, L에서 8개, M에서 18개를 채운다고 배웠는데 이걸 따르면

M껍질에서 18개를 채우기 전에는 N껍질을 채우면 안 되지 않나요? 왜 M껍질에서는 s오비탈에서 2개, p오비탈에서 6개 채우고 N껍질을 채우나요?

Answer 1

안녕하세요.

질문주신 것처럼 껍질별 최대 전자 수(K=2, L=8, M=18...) 규칙과 실제 전자 배치 순서가 다른 이유는 오비탈의 에너지 준위가 단순히 껍질 번호(n)로만 결정되지 않기 때문입니다.

각 껍질은 주양자수로 구분되며, 그 안에는 오비탈 종류에 따라 s, p, d, f가 들어 있는데요 M껍질 자체로는 최대 18개까지 전자를 가질 수 있습니다. 하지만 실제로 칼슘(Ca, 원자번호 20)의 전자 배치를 보면 3d를 채우지 않고 4s부터 채우는데 여기서 핵심은 에너지 준위의 상대적인 높낮이입니다.

오비탈의 에너지는 주양자수(n)뿐 아니라, 부양자수(l) 에도 영향을 받는데요 즉, n이 같더라도 s, p, d 오비탈의 에너지가 서로 다릅니다. 예를 들어, 실제 에너지 순서는 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s ...순으로 나타나며 이것이 바로 우리가 오비탈 채워 넣기 순서(Aufbau 원리) 라고 부르는 규칙입니다. 이를 “n+l 규칙”으로 표현되기도 하는데, n+l 값이 작은 오비탈이 먼저 채워지고, 같을 경우 n이 작은 오비탈이 먼저 채워지며 따라서 3d(=M껍질) 을 다 채우기 전에 4s(=N껍질) 을 먼저 채우게 됩니다. 감사합니다.