電子殻 | 勉強嫌いの放物

A23　軌道電子の配置を書けるようになろう

たなまる — Tue, 02 Sep 2025 01:35:52 +0000

電子配置の表は、数字が並んでいてややこしい感じがしますよね。
表自体を試験で書けと言われることは多くはありませんが、表を理解していないと解けない問題は結構見かけます。

この記事では、電子配列のルールをマスターし、表を自分で再現できるようになることが目標です。

実際には、大きな紙を用意して、N殻あたりまで書き出す練習をすることで、自然と身につけていきます。

殻ごとの電子数には規則性があるため、何度か練習すれば暗記ではなくパターンとして理解でき、試験でも迷わず書けるようになりますよ。

理解のベースは量子数

この記事は量子数を把握してから読んだ方が何倍も理解が深まります。

量子数ってなんだっけ？

という場合はA22：量子数とは？4種類の意味とパウリの排他原理をご参照ください。

軌道電子の配置表を書けるようになろう

電子がどの殻にどれだけ入るのか――これは「とにかく暗記しなきゃ」と思われがちですが、きちんとしたルールがあります。殻の番号を n としたとき、その殻に収容できる最大の電子数は 2n² で表されます。
※ここでの n は主量子数のことです。覚えてましたよね？

K殻（n＝1） → 2×1²＝2個
L殻（n＝2） → 2×2²＝8個
M殻（n＝3） → 2×3²＝18個
N殻（n＝4） → 2×4²＝32個

このように「2、8、18、32…」と順番に増えていきます。
ここまで理解しておけば、電子配置の表を自分の力で再現する土台ができます。

殻ごとの収容数を整理する

ここ、覚えにくくてかなわんわぁ。
なんか良い方法ないんか？

丸暗記しようとするからだよ。
規則性を見ていこうか。

この表を見てみると、1ｓ軌道には2個、2ｓ軌道には2個で2ｐ軌道には6個、同様に3ｓ軌道は2個・3ｐ軌道は6個・3ｄ軌道には10個の軌道電子が収容されていくことが分かりますよね。

ｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道と副殻が増えていくにつれ、収容される軌道電子の数は4個ずつ増えていくようになっています。

それには、磁気量子数が関わっています。

ｓ軌道の磁気量子数は0の1種類だけだから軌道電子は2個、ｐ軌道は磁気量子数が-1・0・1の3種類に分かれるから6個、ｄ軌道は磁気量子数が-2・-1・0・1・2の5種類に分かれるから10個になります。

つまり、方位量子数が1増えるごとに磁気量子数は2つ増えるから、収容される軌道電子は4個増えることになります。

この表も参考にしてみてください。

ｓ軌道はＫ殻だろうがＬ殻だろうがＭ殻だろうが絶対に2個までしか入らない。
ｐ軌道も同様に最大で6個。ｄ軌道も何殻だろうが10個までしか入らない。

どうかな？
気付けば簡単な法則でしょう？

N殻までしっかり練習してみよう

N殻（最大32個）は国家試験レベルではフルに問われることは少ないですが、K殻からN殻までしっかり書けると理解度がぐっと深まります。

練習のときは大きめの紙にK殻から順に並べて、「外側にいくほど収容数が急に増える」 ことを視覚的に確認すると覚えやすいです。

書いて覚えると何が見えるようになる？

表を繰り返し手で書いていくと、「ただの暗記」から一歩進んで、周期表とのつながりが見えてきます。

第2周期 → L殻までで原子番号10（ネオン）まで
第3周期 → M殻が関わって原子番号18（アルゴン）まで
第4周期以降 → N殻が登場

このように、電子配置を理解することは周期表の並びを理解することにもつながります。
つまり「表を書ける」こと自体が、周期表を理解するためにも一役買っていることになります。

試験に出る！軌道電子配置の重要ポイント

軌道電子の配置は、国家試験でもかなり高確率で出題されるテーマです。
単に「表を書けるかどうか」を問うだけでなく、周期表や元素の性質とからめて出題されることも多いので、しっかり押さえておく必要があります。

覚えるだけじゃなく「規則性」を意識する

試験問題では「3d軌道には最大で何個の電子が入るか」や「ある元素の最外殻電子の数はいくつか」といった問いがよく出ます。
ここで大事なのは、ただ丸暗記した数字を並べるのではなく、2n²則や軌道の収容数のルールを理解しておくことです。

3d軌道は最大いくつか

軌道にはそれぞれ収容できる電子の上限があります。

s軌道：2個
p軌道：6個
d軌道：10個
f軌道：14個

したがって「3d軌道」には 最大10個 の電子が入ります。
これは「d軌道には5つの部屋（磁気量子数の違い）があり、それぞれに2個ずつ入る」と考えると覚えやすいです。

最外殻電子の数はいくつか

元素の性質を決めるのは最外殻にある電子の数です。
例えばカルシウム（原子番号20）の場合は K殻から順に、2、 8、 8、 2 という配置になり、最外殻電子はN殻に2個。
ここからカルシウムが周期表の第2族（アルカリ土類金属）に属することが理解できます。

このように、単なる暗記ではなく「軌道の種類ごとの上限」と「最外殻電子数」に注目することで、出題形式が少し変わっても慌てずに対応できるようになります。

確かに過去問で2ｐ軌道の電子数を聞かれてた記憶あんで。

牛助、よく覚えてたね。
少し古い問題だけど、確かに出てるんだ。
後で紹介しようね。

配置と周期表・化学的性質のつながり

電子配置は「ただの数字」ではなく、周期表の並び方や元素の性質を理解するカギになります。

周期表の横の並び（周期）

原子番号が1つ進むごとに電子が1つ増え、外殻に順番に入っていきます。たとえば第2周期なら、リチウム（2,1）から始まり、ベリリウム（2,2）、…と進んで、ネオン（2,8）で殻がいっぱいになる。この「横に進むと最外殻電子が増えていく」流れが周期の正体です。

周期表の縦の並び（族）

縦に並ぶ元素は「最外殻電子の数」が共通しています。ナトリウム（2,8,1）もカリウム（2,8,8,1）も最外殻電子は1個なので、同じアルカリ金属に分類され、似たような性質（反応性が強い、イオンになりやすい）を示します。

医療系のつながり

元素の性質を決める最外殻電子は、放射線との相互作用にも関係します。
X線撮影で「造影剤にヨウ素が使われる理由」も、ヨウ素の電子配置によって光電効果を起こしやすい殻構造を持っているからです。
このように電子配置を知っていると、周期表や化学だけでなく医療現場での実際の現象にも説明がつくようにいなります。

実際の問題を見ていきましょう

ちょっと古いけどスタンダードな問題をご紹介しましょう。

第65回　2013年　問42
基底状態にある ${}_{10}\mathrm{Ne}$ の2ｐ軌道に配置される電子数はどれか。

解答を確認する。

A20　自由電子と軌道電子のちがいを理解しよう

たなまる — Wed, 30 Apr 2025 05:51:05 +0000

「電子にはいろんな種類があるって聞いたけど、自由電子と軌道電子の違いって結局なんなの？」
そう感じて、教科書を読んでもイメージが湧きにくい人は多いはずです。

今回は、電子が原子核に束縛されているのか、外に飛び出しているのかという視点で、自由電子と軌道電子のちがいを説明してみましょう。

両者の特徴を整理し、試験でよく問われる「電子の分類」をシンプルに解説します。

自由電子と軌道電子は原子物理の基本中の基本であり、
電気伝導や放射線のふるまいを理解するうえで必須の概念です。

ビシッと理解しましょう。

電子にはどんな種類があるの？

電子と聞くと、つい「原子のまわりを回っている粒子」というイメージだけで止まってしまいがちです。
でも、実際の物質の中では、電子は同じように見えても役割や振る舞いが異なります。
ここではまず、電子を大きく分類する視点を整理していきましょう。

中学校で習った「電子」の復習

電子といえば、中学理科で「原子核のまわりを回っている小さな粒子」として学んだはずです。
マイナスの電気を帯びていて、陽子と電子の数が釣り合うことで、原子は電気的に中性を保ちます。

とはいえ、根っからの理系でもない限り、そんなこと覚えていないのも無理ありません。

忘れてしまったら、また覚えれば良いのです。

物質内の電子は2種類に分けられる

まず、一口に電子といっても、大きく2種類の電子に分けることができます。

高校以上のレベルになると、この電子を「自由電子」と「軌道電子」に分けて考えます。
一見するとどちらも同じ電子ですが、「どこに存在しているか」「どんな役割を持つか」が少しちがうのです。

既に出てきた「陰電子」・「陽電子」という違いではなく、物質の中のどこにあるかによって名称が変わってきます。

図を参照しながら見ていきます。

原子にしっかり束縛されている 軌道電子
束縛から外れて自由に動ける 自由電子

この2種類に分けて考えます。

物質の中には原子がたくさん詰まっていることはみなさんご存知のはずですね。

忘れてしまった方はA13：物質中に含まれる　原子の数・電子の数をチェック。

その原子の中に含まれる「軌道電子」と原子の外にある「自由電子」に分けることができます。

自由電子とは？

電子の中には、原子核のまわりにとどまらず、物質の中を動き回るものがあります。
こうした電子は、電気が流れる仕組みや金属の性質を理解するうえで、とても重要な存在です。
まずは「自由電子」がどんな電子なのか、基本から整理していきましょう。

原子に束縛されていない電子

自由電子とは、原子核の強い引力から解き放たれ、原子の外を動き回る電子のことです。
特に金属のような物質では、最外殻の電子（価電子）がしっかり束縛されず、原子から飛び出して周囲を移動できる状態になります。
言いかえると、自由電子は「ある原子の所有物」ではなくなり、物質全体を行き来できる共通の存在になるわけです。

自由電子は原子核に束縛されていませんので、物質内を比較的自由に動き回ることができます。

※実際には電子は何らかの束縛を受けるので、完全に自由な電子は存在しないようです。
仮定としての「自由」電子のようです。
まぁ、あまり気にせずに行きましょう。

自由電子が果たす役割

この性質こそが、金属が電気を通す理由です。
外部から電圧をかけると、自由電子は一斉に方向をそろえて移動します。
これが「電流」と呼ばれる現象です。

例えば、銅線の中では自由電子が絶えず動き回り、電気エネルギーを効率よく運んでいます。
逆に、自由電子がほとんど存在しないゴムや木材では、電子が流れる道がないため電気を通しません。

牧場飛び出して
自由牛助になりたいわ～

メシ食えなくなっても良いのかい？

そら考えもんや。
牧場に残ってもええわ。

もう一つの重要な役割

自由電子は、電気伝導だけでなく「熱の伝わりやすさ」にも関係しています。
金属に触れるとひんやり感じるのは、自由電子が熱をすばやく運ぶからです。
このように、自由電子の存在は物質の性質そのものを決める重要なポイントなのです。

軌道電子とは？

すべての電子が自由に動き回っているわけではありません。
原子の中には、原子核のまわりにとどまり、決まった位置関係を保って存在している電子もあります。
ここでは、原子の構造を理解するうえで欠かせない「軌道電子」について整理していきましょう。

原子核に束縛されている電子

軌道電子とは、原子核の強い引力にとらえられ、決まった軌道（電子殻）を回っている電子のことです。
イメージすると、まるで太陽のまわりを惑星がぐるぐる回っているようなもの。
電子は「勝手に外に飛び出せない」かわりに、安定した位置に収まっているのです。
束縛されていることから、「束縛電子」と呼ぶ場合もあります。
※国試では「束縛電子」という名称は出てこないですね。古い主任者試験の過去問なら出会えるかもしれません。

軌道電子は元素や軌道で決まっているエネルギーで原子核に束縛されています。
この決まったエネルギーを結合エネルギーといいます。

電子殻と収容できる数（2n²則）

電子が収まる場所（軌道）は原子核に近い順に「K殻」、「L殻」、「M殻」、・・・のように続いていきます。

それぞれの殻に入れる電子の数は「2n²」というルールで決まります（n＝殻の番号）。

K殻（n=1）：最大2個
L殻（n=2）：最大8個
M殻（n=3）：最大18個

外側へ行くほど、より多くの電子を収容できるようになります。

これを一般式で示すと　2ｎ²　となります。
※nは主量子数といい、軌道の大きさを示したものです。K殻は n=1　、L殻は　n=2　といった感じで、1ずつ増えていきます。

軌道電子はこのK殻やL殻といった軌道上にしか存在することはできません。

K殻とL殻の間のスペースには存在できないのです。

こういった連続的でないものを「離散的」と表現します。

また、各軌道の間隔は一定ではありません。
K殻とL殻の間が最も離れています。
次いでL殻とM殻の間が離れています。

お気付きですね？

外側に行けば行くほど、各軌道の間隔は「狭く」なっていきます。
つまり、外側に行けば行くほど、エネルギー準位差が小さくなっていきます。

※エネルギー準位については、A21：軌道電子のエネルギー準位と結合エネルギーを参照してください。

外側に行くほどどうなるのか？

電子のエネルギーを「束縛の強さ」で見ると、原子核に近い電子は強く引き寄せられているため、束縛エネルギーが大きい です。
一方、外側の電子は束縛が弱く、束縛エネルギーが小さい ので外に飛び出しやすい性質があります。

逆に、電子の位置を「エネルギー準位」として表すと、外側の電子ほどエネルギー準位が高い と言えます。
つまり、同じ「エネルギー」でも見方によって表現が逆転することに注意しましょう。

※束縛エネルギー＝結合エネルギーです。

軌道電子の動きとその特徴

原子核のまわりを取り囲んでいる軌道電子は、「どこにいるか」がハッキリしないふるまいをします。
これは量子力学的な制約によるもので、古典的な「回っている」というイメージでは捉えきれません。

それでも、ある程度モデル化して理解することはできます。
たとえば、軌道電子のまわる道のり（軌道の周長）は、ド・ブロイ波長の整数倍になっていなければ安定しません。
これは波としての性質を持つ電子にとって、重要な制約です。

また、最も内側の軌道（K殻）において、その半径はボーア半径と呼ばれ、約 5.3 × 10⁻¹¹ m になります。
このボーア半径は、軌道電子の存在範囲の目安としてよく使われます。

自由電子と軌道電子のちがいを整理しよう

ここまでで「自由電子」と「軌道電子」それぞれの特徴を見てきました。
では両者を並べて比べると、どんな違いがはっきりするでしょうか。

位置のちがい

自由電子は、原子から抜け出しており、特定の原子に属さずに物質全体を動き回っています。
一方、軌道電子は原子核のまわりにとどまり、決められた軌道（電子殻）の中で存在しています。
つまり、電子が「原子の中にいるのか」「原子の外を動いているのか」という点が、両者の大きな違いです。

束縛のちがい

自由電子は、原子核の引力からほとんど解き放たれているため、外部から電場が加わると比較的自由に動くことができます。
それに対して軌道電子は、原子核の引力に強く束縛されており、決まった殻の中から簡単に外へ出ることはできません。
この「束縛の強さ」の違いが、自由電子と軌道電子の性質を大きく分けています。

エネルギーの見方のちがい

電子のエネルギーを束縛の強さという視点で見ると、原子核に近い軌道電子ほど束縛が強く、束縛エネルギーは大きくなります。
一方で、エネルギー準位という表現を用いると、外側の軌道電子ほど高いエネルギー準位にあると考えます。
このように、「エネルギー」という言葉は、どの視点で見ているかによって意味が変わるため、混同しないよう注意が必要です。

実際の問題を見ていきましょう。

第62回　2010年　問42
L殻に存在できる軌道電子の最大数はどれか。