홍라이프 계산기전자 배치 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
이 계산기는 수소부터 하슘(1~108번)까지 모든 원소의 바닥 상태 전자 배치를 비활성 기체 표기와 껍질별로 보여 주고, 홀전자 수와 쌓음 원리 예측과의 비교도 함께 알려 줍니다. 화학 과제, 자성 예측, 주기율표 구조 이해에 쓰입니다.
계산 방법
- 부껍질 nℓ에는 최대 2(2ℓ + 1)개의 전자가 들어갑니다(s 2, p 6, d 10, f 14).
- 보여 주는 배치는 규칙만으로 만든 것이 아니라 NIST 자료의 중성 원자 실측 바닥 상태입니다.
- 비활성 기체 표기는 안쪽 껍질을 앞 주기의 비활성 기체 기호로 대괄호 안에 줄여 씁니다.
- 홀전자 수(훈트 규칙): 용량 c인 부껍질에 전자가 k개이면 k ≤ c/2일 때 k개, 아니면 c − k개입니다.
- 쌓음 원리 줄은 마델룽(n + ℓ) 순서 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p와 비교합니다.
원리
전자는 에너지가 낮은 준위부터 채우며, 한 오비탈에는 스핀이 반대인 전자가 둘까지 들어갑니다(파울리 배타 원리). 같은 부껍질에서는 짝을 짓기 전에 서로 다른 오비탈로 퍼지는데(훈트 규칙), 그래야 반발이 줄어듭니다. n + ℓ이 작은 순서, 같으면 n이 작은 순서로 채우는 마델룽 규칙이 대부분을 맞히지만, Cr, Cu, Mo, Ag, Pt, Au 등 약 20개 원소는 반쯤 찬 d 부껍질이나 꽉 찬 d 부껍질이 특히 안정해 다른 배치를 택합니다.
예제 풀이
기본값인 철(Fe, Z = 26)로 확인합니다.
- 아르곤이 전자 18개를 차지합니다(1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶).
- 남은 8개가 4s²와 3d⁶에 들어가 [Ar] 3d⁶ 4s²가 됩니다.
- 껍질별 전자 수는 K 2, L 8, M(3s² 3p⁶ 3d⁶) 14, N(4s²) 2이므로 2, 8, 14, 2입니다.
- 3d에 10개 중 6개가 있어 6 > 5이므로 홀전자는 10 − 6 = 4개입니다.
- 마델룽 규칙의 예측은 실측 바닥 상태와 같습니다.
결과 해석
가장 바깥 껍질의 원자가 전자와 전이 금속의 d 전자가 화학적 성질을 정합니다. 홀전자가 있으면 원자는 상자성을 띠며, 철의 홀전자 4개는 자성을 설명하는 데 도움이 됩니다. 쌓음 원리 줄이 실측과 다르면 알려진 예외 원소입니다.
흔한 실수
- 이온이 될 때 4s 전자가 먼저 빠진다는 점을 잊는 경우(Fe²⁺는 [Ar] 3d⁶)
- Cr을 [Ar] 3d⁴ 4s²로 쓰는 경우(실제는 [Ar] 3d⁵ 4s¹)
- 껍질을 n이 아니라 채우는 순서로 묶는 경우
자주 묻는 질문
구리는 왜 [Ar] 3d¹⁰ 4s¹입니까?
3d가 꽉 찬 배치가 단순 규칙이 예측하는 3d⁹ 4s²보다 에너지가 낮기 때문입니다.
세 번째 껍질에는 전자가 몇 개 들어갑니까?
3s 2개, 3p 6개, 3d 10개로 최대 18개입니다.
108번에서 멈추는 이유는 무엇입니까?
그보다 무거운 원소의 바닥 상태는 측정값이 아니라 이론적 예측이기 때문입니다.
출처: Particle Data Group, Review of Particle Physics 2024, Table 5.1 "Electronic structure of the elements" · NIST Atomic Spectra Database (A. Kramida, Yu. Ralchenko, J. Reader and NIST ASD Team)