電子殻と電子配置

原子番号から K・L・M・N 殻の電子の数と価電子の数を求められる

前提

原子の構成と質量数（高校化学物質の構成と化学結合）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構成と質量数（高校化学物質の構成と化学結合）

説明

原子の中の電子は、原子核のまわりのいくつかの層に分かれて存在していて、この層を「電子殻」といいます。内側から順に K 殻・L 殻・M 殻・N 殻…と呼びます。この技能では、原子番号（＝電子の数）から各電子殻に電子が何個ずつ入るか（電子配置）を求め、さらに化学的な性質を決める「価電子」の数を求められるようになります。原子がどんなイオンになりやすいか、何個の結合をつくるかを考えるときの基礎になります。

なぜそうしてよいのか

電子は負の電気をもち、正の電気をもつ原子核に引きつけられています。原子核に近い内側の電子殻ほど強く引きつけられてエネルギーが低く安定なので、電子はふつう内側の殻から順に入っていきます。ただし、1 つの電子殻に入れる電子の数には上限があり、内側から $n$ 番目の殻には最大 $2 n^{2}$ 個まで入ります。外側の殻ほど原子核から遠く広い層なので、たくさん入れると考えるとよいでしょう。

$K 殻 : 2 \times 1^{2} = 2, L 殻 : 2 \times 2^{2} = 8, M 殻 : 2 \times 3^{2} = 18, N 殻 : 2 \times 4^{2} = 32$

原子番号 1〜20 の原子では、K 殻に 2 個、L 殻に 8 個と順に満たしていき、M 殻には 8 個まで入ったところで、次の電子は N 殻に入ります（カリウム K は 2, 8, 8, 1、カルシウム Ca は 2, 8, 8, 2）。M 殻の上限は 18 個ですが、原子番号 19・20 ではこのようになることに注意します。

最も外側の電子殻（最外殻）にある電子は、他の原子との結合やイオンになるときに主にはたらくので、これを「価電子」と呼びます。価電子の数は、ふつう最外殻の電子の数に等しくなります。ただし、ヘリウム He（2）・ネオン Ne（2, 8）・アルゴン Ar（2, 8, 8）などの貴ガス（希ガス）の原子は、最外殻の電子の配置がとても安定していて、他の原子と結合したりイオンになったりしにくいので、価電子の数は 0 とします。

手順

原子番号から電子の数を求める（原子では $電子の数 = 原子番号$ ）
内側の K 殻から順に電子を入れる。各殻の上限は $2 n^{2}$ 個（K 殻 2、L 殻 8、M 殻 18）
原子番号 20 までは、M 殻に 8 個入ったら残りの電子を N 殻に入れる（例: K は 2, 8, 8, 1）
各殻の電子の数の合計が原子番号に等しいことを確かめる
最外殻の電子の数を価電子の数とする。ただし貴ガス（He, Ne, Ar など）の価電子の数は 0 とする

例題

硫黄 S（原子番号 16）の原子の価電子の数を求めよ。

例題の解答

手順 1: 原子番号が 16 なので、電子の数は 16 個です。

手順 2: 内側から入れると、K 殻に 2 個、L 殻に 8 個で、ここまで $2 + 8 = 10$ 個です。残りは $16 - 10 = 6$ 個で、これは M 殻に入ります。

手順 3: M 殻の電子は 6 個で 8 個以下なので、N 殻に入る電子はありません。

手順 4: 電子配置は K 殻 2、L 殻 8、M 殻 6 で、 $2 + 8 + 6 = 16$ と原子番号に一致します。

手順 5: 最外殻は M 殻で、そこに 6 個の電子があります。硫黄は貴ガスではないので、価電子の数は 6 です。

答え: $6$

よくある誤り

M 殻の上限が 18 個だからといって、カリウム K（原子番号 19）の電子を K 殻 2、L 殻 8、M 殻 9 としてしまう誤り。正しくは M 殻に 8 個入ったあと N 殻に入り、2, 8, 8, 1 で価電子の数は 1。
貴ガスの価電子の数を最外殻の電子の数としてしまう誤り。ネオン Ne（2, 8）の価電子の数を 8 とするのは誤りで、正しくは貴ガスは結合やイオンをつくりにくいので価電子の数は 0。
K 殻の上限（2 個）を超えて電子を入れてしまう誤り。リチウム Li（原子番号 3）を K 殻 3 個とするのは誤りで、正しくは K 殻は $2 \times 1^{2} = 2$ 個までなので 2, 1 となり、価電子の数は 1。
最外殻の電子だけでなく、全部の殻の電子（電子の総数）を価電子としてしまう誤り。硫黄 S（2, 8, 6）の価電子の数を $2 + 8 + 6 = 16$ とするのは誤りで、正しくは最外殻（M 殻）の電子だけを数えて 6。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
原子番号 $15$ のリン原子 $P$ について、電子は内側の電子殻から順に入るものとする。K 殻、L 殻、M 殻に入ることのできる電子の最大数は、それぞれ $2$ 個、 $8$ 個、 $18$ 個である。
リン原子の M 殻に入っている電子の数を求めよ。

この技能を使う問題

難易度 3（共通テストレベル）
原子番号が連続する 5 つの元素 $A$ , $B$ , $C$ , $D$ , $E$ があり、原子番号はこの順に 1 ずつ大きくなっている。 $C$ は貴ガス（希ガス）であり、 $D$ の原子の最外殻電子は N 殻に入っている。
$A$ の原子と $D$ の原子は、それぞれ原子番号が最も近い貴ガスの原子と同じ電子配置をもつ単原子イオンになり、これらのイオンからなるイオン結晶をつくる。このイオン結晶の組成式 1 つ分に含まれる電子の総数はいくつか。整数で答えよ。
ただし、貴ガスの原子番号は $He = 2$ , $Ne = 10$ , $Ar = 18$ , $Kr = 36$ とし、電子殻は内側から K 殻, L 殻, M 殻, N 殻の順に電子が入るものとする。

この技能の次に学べること

単原子イオンと貴ガス型の電子配置（高校化学物質の構成と化学結合）
電子式と共有電子対・非共有電子対（高校化学物質の構成と化学結合）
角運動量の合成と項記号（大学物理原子・分子物理とレーザー）