電子配置ツール

軌道図（電子配置図）作成ツール

窒素や酸素から鉄、クロム、Fe³⁺まで、元素やイオンの軌道図を描きます。箱は電子が入る順に並べ、矢印はフントの規則に従って置き、下に電子配置を添えます。化学の授業や演習向けです。

軌道図の例

2p に不対電子2個の酸素、3d に4個の鉄、予想と実際を上下に並べたクロム、フントの規則を示す窒素。各図は添えたプロンプトから生成しており、選ぶとそれが入力欄に入ります。

ラベル付きの酸素

3d の箱まで描いた鉄

クロムの例外

簡単な窒素の図

エネルギーが上向きに増える硫黄のラベル付き軌道図。1s から 3p の箱、半矢印で示した16個の電子、3p の不対電子2個 — 硫黄の軌道図。エネルギー軸に沿って 1s、2s、2p、3s、3p の箱を並べ、16個の電子、構成原理・パウリの排他原理・フントの規則、[Ne] 3s² 3p⁴ と不対電子2個を示しています。

軌道図の描き方：硫黄で手順を確認

ラベル付きの図は電子16個の硫黄で、エネルギーが上に行くほど高くなるように描いています。同じ4つの手順で、どの原子の軌道図も描けます。

1
電子の数を数える
硫黄の原子番号は16なので矢印は16本。イオンなら電荷の分だけ増減します。
2
構成原理の順に箱を埋める
下から 1s、2s、2p、3s、3p の順に、1つの箱に逆向きの矢印を2本まで入れます（パウリの排他原理）。
3
3p の電子はまず分散させる
3p の3つの箱に1本ずつ入れ、4本目で最初の箱が対になります（フントの規則）。
4
電子配置を書く
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴、すなわち [Ne] 3s² 3p⁴ で、不対電子は2個です。

クロムの軌道図の例外。予想される [Ar] 4s2 3d4（不対電子4個）と実際の [Ar] 4s1 3d5（不対電子6個）の比較 — 電子の入る順序から予想されるクロムの軌道図 [Ar] 4s² 3d⁴（不対電子4個）を上に、実際の基底状態 [Ar] 4s¹ 3d⁵（不対電子6個）を下に並べ、その下に同じ型の銅の例外を示しています。

クロムの軌道図が電子の入る順序から外れる理由

電子が入る順序どおりなら、クロムは [Ar] 4s² 3d⁴ になるはずです。実測される基底状態では電子が1個 3d に移り、両方の副殻が半分ずつ満たされます。

1
予想：不対電子4個
4s に対が1組、3d の5つの箱のうち4つに矢印が1本ずつ入り、5つ目は空のままです。
2
実際：不対電子6個
4s の電子1個が 3d に移って [Ar] 4s¹ 3d⁵。6本の矢印はすべて単独で、向きもそろいます。
3
銅も同じ
4s² 3d⁹ ではなく [Ar] 4s¹ 3d¹⁰。満ちた 4s の箱より満ちた 3d のほうが安定です。

ダイアグラム作成ツール一覧

元素ごとの軌道図と構成原理の図

よく調べられる元素の軌道図を、矢印のパターンが共通するものごとにまとめました。各項目に電子の数、箱の並び、矢印の入り方、不対電子の数を示しています。

水素・ヘリウム・リチウム・ベリリウムの軌道図

いちばん小さな軌道図で、パウリの排他原理を示すのに向いています。水素（1）：1s¹、1つの箱に上向き矢印が1本。ヘリウム（2）：1s²、同じ箱に上向きと下向きの矢印が1本ずつ。リチウム（3）：1s² 2s¹、2番目の殻をもつ最初の原子で不対電子1個。ベリリウム（4）：1s² 2s²、すべて対になっています。

窒素の軌道図

電子7個：1s² 2s² 2p³。1s と 2s が対になり、2p の3つの箱にはそれぞれ上向き矢印が1本ずつ入って対はできません。フントの規則により、同じエネルギーの箱にはまず1本ずつ入るためです。不対電子は3個。2p が半分満たされていることが、窒素の第一イオン化エネルギーが酸素より大きい理由です。

酸素の軌道図

電子8個：1s² 2s² 2p⁴。2p の4個目の電子は対をつくるしかないので、最初の 2p の箱が ↑↓、残り2つが1本ずつになります。不対電子は2個。この対になった箱の中の反発のために、酸素は窒素より電子を1個失いやすくなります。

炭素の軌道図

電子6個：1s² 2s² 2p²。2つの 2p 電子は別々の箱に同じ向きのスピンで入り、不対電子2個となります。1つの箱で対になることはありません。2s の電子を1個 2p に上げて矢印を4本単独にした図は、sp³混成を説明するために描く炭素の励起状態で、基底状態の軌道図ではありません。

ホウ素・アルミニウム・ケイ素の軌道図

ホウ素（5）：1s² 2s² 2p¹、最初の 2p の箱に矢印1本、残り2つの 2p の箱は空。アルミニウム（13）：[Ne] 3s² 3p¹、1周期下で同じパターン。ケイ素（14）：[Ne] 3s² 3p²、炭素と同じく 3p に単独の矢印が2本。空の p の箱も描きましょう。p 軌道は、電子が入っていてもいなくても3つの箱です。

硫黄・リンの軌道図

酸素・窒素の1周期下で、ネオンの閉殻の外側は同じパターンです。リン（15）：[Ne] 3s² 3p³、3p に単独の矢印が3本で不対電子3個。硫黄（16）：[Ne] 3s² 3p⁴、3p に対が1組と単独の矢印が2本で不対電子2個。省略しない図では、その下の 1s、2s、2p に内殻電子10個を描きます。

塩素・フッ素・臭素の軌道図

ハロゲンは p 軌道が満たされるまであと1個の ns² np⁵ です。フッ素（9）：1s² 2s² 2p⁵。塩素（17）：[Ne] 3s² 3p⁵。臭素（35）：[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ で、4s と 4p の間に満たされた 3d を描きます。いずれも p の箱2つが対、残り1つが矢印1本で、不対電子は1個です。

ナトリウム・マグネシウム・カリウム・カルシウムの軌道図

ナトリウム（11）：[Ne] 3s¹、3s に矢印1本。マグネシウム（12）：[Ne] 3s²、対になり不対電子なし。カリウム（19）：[Ar] 4s¹、カルシウム（20）：[Ar] 4s²。どちらも 3d の箱はありません。スカンジウムまでは 4s が 3d より低いので、19番目の電子は 3d ではなく 4s に入ります。

鉄の軌道図

電子26個：[Ar] 4s² 3d⁶。4s は対。3d の5つの箱には最初の5個が1個ずつ入り、6個目が最初の箱で対になります。不対電子は4個なので、鉄原子は常磁性です。Fe²⁺ は [Ar] 3d⁶ で、4s の2個が先に抜けても不対電子は4個のまま。Fe³⁺ は [Ar] 3d⁵ で、3d のすべての箱に矢印が1本ずつ入り、不対電子5個です。

クロム・銅の軌道図

第4周期の遷移元素にある2つの例外です。クロム（24）：4s² 3d⁴ ではなく [Ar] 4s¹ 3d⁵ で、単独の矢印が6本。銅（29）：4s² 3d⁹ ではなく [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ で、3d が満たされ不対電子1個。例外と指定すれば実測どおりに描き、予想と実際を並べるよう頼めば、上のクロムの例のような2段の図になります。

チタン・マンガン・コバルト・ニッケル・亜鉛の軌道図

4s が満たされた後、3d の箱は対になる前に1本ずつ埋まります。チタン（22）：[Ar] 4s² 3d²、不対電子2個。マンガン（25）：[Ar] 4s² 3d⁵、5個。コバルト（27）：[Ar] 4s² 3d⁷、3個。ニッケル（28）：[Ar] 4s² 3d⁸、2個。亜鉛（30）：[Ar] 4s² 3d¹⁰、0個なので亜鉛は反磁性です。

ネオン・アルゴンの軌道図

貴ガスはもっている箱をすべて満たしています。ネオン（10）：1s² 2s² 2p⁶、箱5つに対の矢印10本。アルゴン（18）：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶、箱9つがすべて対。不対電子がないのでどちらも反磁性で、その電子配置は後に続く元素の省略形で使う [Ne] と [Ar] の芯になります。

構成原理の図（電子が入る順序の図）

1つの原子ではなく、すべての原子に共通する電子の入る順序を示す図です。副殻を殻ごとに行に書き（1s；2s 2p；3s 3p 3d；4s 4p 4d 4f …）、斜めの矢印でたどると 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s の順が読み取れます。これは n + l 則（マーデルングの規則）を表したもので、n + l が小さいほうから入り、同じなら n が小さいほうが先です。そのため 4s（4 + 0）が 3d（3 + 2）より先になります。

軌道のエネルギー準位図

同じ箱を横一列ではなくエネルギー軸に沿って積み上げた図で、上の硫黄の図がこの形です。副殻ごとに高さが異なり、p の3つや d の5つの箱は縮退しているので同じ高さに横並びになります。カリウムで 4s が 3d より下にある理由や、最後に満たされた副殻と最初の空の副殻のエネルギー差を示すのに向いています。

水素から臭素までの電子配置と不対電子

一般化学の教科書に載っている基底状態の電子配置と、最後に埋まる副殻の矢印です（□ は空の箱）。不対電子の数は、図全体にある単独の矢印の数です。

元素	電子数	電子配置（省略形）	最後の副殻の箱	不対電子
H	1	1s¹	1s: ↑	1
He	2	1s²	1s: ↑↓	0
Li	3	[He] 2s¹	2s: ↑	1
B	5	[He] 2s² 2p¹	2p: ↑ □ □	1
C	6	[He] 2s² 2p²	2p: ↑ ↑ □	2
N	7	[He] 2s² 2p³	2p: ↑ ↑ ↑	3
O	8	[He] 2s² 2p⁴	2p: ↑↓ ↑ ↑	2
F	9	[He] 2s² 2p⁵	2p: ↑↓ ↑↓ ↑	1
Ne	10	[He] 2s² 2p⁶	2p: ↑↓ ↑↓ ↑↓	0
Na	11	[Ne] 3s¹	3s: ↑	1
Mg	12	[Ne] 3s²	3s: ↑↓	0
Al	13	[Ne] 3s² 3p¹	3p: ↑ □ □	1
Si	14	[Ne] 3s² 3p²	3p: ↑ ↑ □	2
P	15	[Ne] 3s² 3p³	3p: ↑ ↑ ↑	3
S	16	[Ne] 3s² 3p⁴	3p: ↑↓ ↑ ↑	2
Cl	17	[Ne] 3s² 3p⁵	3p: ↑↓ ↑↓ ↑	1
Ar	18	[Ne] 3s² 3p⁶	3p: ↑↓ ↑↓ ↑↓	0
K	19	[Ar] 4s¹	4s: ↑	1
Ca	20	[Ar] 4s²	4s: ↑↓	0
Ti	22	[Ar] 4s² 3d²	3d: ↑ ↑ □ □ □	2
Cr	24	[Ar] 4s¹ 3d⁵（例外）	4s: ↑、3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑	6
Mn	25	[Ar] 4s² 3d⁵	3d: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑	5
Fe	26	[Ar] 4s² 3d⁶	3d: ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑	4
Co	27	[Ar] 4s² 3d⁷	3d: ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑	3
Ni	28	[Ar] 4s² 3d⁸	3d: ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑	2
Cu	29	[Ar] 4s¹ 3d¹⁰（例外）	4s: ↑、3d: 5つすべて対	1
Zn	30	[Ar] 4s² 3d¹⁰	3d: 5つすべて対	0
Br	35	[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵	4p: ↑↓ ↑↓ ↑	1

スカンジウムから亜鉛までは 4s の後に 3d が埋まり、順序から外れるのはクロムと銅だけです。 スカンジウム（[Ar] 4s² 3d¹、不対電子1個）とバナジウム（[Ar] 4s² 3d³、不対電子3個）は規則どおりです。陽イオンでは n の大きい軌道から電子を取り除くので、Cu⁺ と Zn²⁺ はどちらも [Ar] 3d¹⁰ になります。

軌道図・電子配置・ボーアモデルの違い

3つとも同じ電子を表しています。電子配置は1行の文字（1s² 2s² 2p⁴）で書き、軌道図は軌道ごとに矢印を描き、ボーアモデルは殻だけを円で描くため副殻もスピンもありません。英語圏の「orbital notation」は箱と矢印の表記のことで、多くの授業では軌道図と同じ意味で使われます。

	軌道図	電子配置	ボーアモデル
示すもの	軌道を箱、電子を矢印で1つずつ	副殻と、右上の数字で電子数	殻を円、電子を点で
酸素	1s ↑↓、2s ↑↓、2p ↑↓ ↑ ↑	1s² 2s² 2p⁴ または [He] 2s² 2p⁴	1番目の円に点2個、2番目に6個
スピン	上向き・下向きの矢印で示す	示さない	示さない
不対電子	単独の矢印を数える	フントの規則から考える	読み取れない
副殻（s、p、d）	箱1つ、3つ、5つの組	1s、2p、3d … と書く	なし（殻のみ）
分子軌道図との比較	原子1つ分。分子軌道図は両端の列に2つの原子の軌道を置き、それらを組み合わせる	分子では σ2s² σ*2s² … のような分子軌道の電子配置を書く	分子に対応するものはない

スピンや磁性が問われたら軌道図を描きます。 「鉄の不対電子はいくつか」には 3d の5つの箱を描く必要がありますが、「鉄の電子配置は」なら [Ar] 4s² 3d⁶ だけで足ります。

軌道図とは？

軌道図（電子配置の箱表示、オービタルダイアグラムとも呼ばれます）は、原子の電子がどこにあるかを示す図です。軌道1つにつき箱か線を1つ描き、副殻（1s、2s、2p、3s …）ごとに電子の入る順に並べ、電子はスピンの向きを表す半矢印で描きます。電子の数は電子配置と同じで、酸素なら 1s² 2s² 2p⁴ ですが、電子配置では表せない、どの軌道が対でどの軌道に不対電子が1個だけ入っているかも示せます。

押さえておきたいポイント

矢印の置き方は3つの規則で決まります。 構成原理：エネルギーの低い副殻から埋める。パウリの排他原理：1つの軌道に入る電子は逆向きのスピンの2個まで。フントの規則：エネルギーの等しい軌道には、対になる前に同じ向きのスピンで1個ずつ入る。
4s は 3d より先に埋まり、先に抜けます。 カリウムとカルシウムは最外殻電子を 4s に入れ、スカンジウムから 3d が始まります。遷移金属が陽イオンになるときは 4s の電子から失われ、Fe は [Ar] 4s² 3d⁶、Fe²⁺ は [Ar] 3d⁶ です。
s、p、d、f の軌道の数はそれぞれ1、3、5、7。 したがって s 副殻には電子2個、p には6個、d には10個、f には14個が入ります。周期表のブロックの幅が2、6、10、14元素なのはこのためです。
不対電子をもつ原子は常磁性です。 単独の矢印を数えると、窒素は3、酸素は2、鉄は4、クロムは6。ネオンや亜鉛のようにすべての矢印が対になっている原子は反磁性です。
クロムと銅は単純な順序に従いません。 Cr は [Ar] 4s¹ 3d⁵、Cu は [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ で、半分または完全に満たされた 3d のほうが、順序から予想される配置よりエネルギーが低いためです。真下のモリブデンと銀も 5s と 4d で同じことが起こります。

軌道図についての質問

軌道図はどう描きますか？

電子の数を数え、副殻を電子の入る順（1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d …）に軌道1つにつき箱1つで描き、下から埋めます。1つの箱には逆向きの矢印を2本まで、p や d の組では対をつくる前にすべての箱に1本ずつ入れます。矢印の数が原子番号に達したら止め、下に電子配置を書き、単独の矢印を数えれば不対電子の数がわかります。

orbital notation（軌道表記）とは何ですか？

電子配置を、軌道1つにつき1つの箱か線で描き、副殻の名前を添え、電子を上向きか下向きの矢印で表したものです。 酸素なら 1s ↑↓、2s ↑↓、2p ↑↓ ↑ ↑ です。この用語を使う教科書では、1s² 2s² 2p⁴ のように文字で書く形を「電子配置」や「spdf 表記」と呼んで区別します。

軌道図と電子配置の違いは何ですか？

電子配置は各副殻に電子が何個あるかを示し、軌道図はそれが副殻の中でどう入っているかまで示します。 酸素はどちらも 2p⁴ ですが、2p 軌道の1つが対で2つに電子が1個ずつ入っていること、つまり酸素の不対電子2個の出どころを示せるのは軌道図だけです。

構成原理の図とは何ですか？

副殻に電子が入る順序を示す図です。副殻を殻ごとに行に書き、斜めの矢印でたどって 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s … と読みます。 n + l 則に従っています。特定の原子の図ではなく、軌道図を描くための道具です。

なぜ 4s が 3d より先に埋まるのですか？

カリウムとカルシウムでは 4s のエネルギーが 3d より低いからです。n + l は 4s が4、3d が5です。 スカンジウム以降で 3d が埋まり始めると 3d 軌道は 4s より低くなるため、遷移金属の陽イオンは 4s の電子から失います。Fe²⁺ は [Ar] 4s² 3d⁴ ではなく [Ar] 3d⁶ です。

クロムと銅はなぜ例外なのですか？

半分または完全に満たされた 3d のほうが、順序から予想される配置より安定なので、4s の電子が1個 3d に移るからです。 クロムは 4s² 3d⁴ ではなく [Ar] 4s¹ 3d⁵、銅は 4s² 3d⁹ ではなく [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ です。このあたりでは 4s と 3d のエネルギーが非常に近いため、3d のスピンがそろうことによる安定化が決め手になります。

鉄の不対電子はいくつですか？

4個です。 鉄は [Ar] 4s² 3d⁶。4s は対で、3d の6個の電子のうち最初の5個が別々の箱に入り、6個目がそのうち1つと対になるので、単独の矢印が4本残ります。Fe³⁺（[Ar] 3d⁵）は3d のすべての箱に1個ずつで5個です。

イオンの軌道図はどう描きますか？

中性原子の軌道図から始め、電荷の分だけ矢印を加えるか取り除きます。 陰イオンは増えた電子を次の空いた箱に入れ、Cl⁻ は [Ne] 3s² 3p⁶ です。陽イオンは n の大きい軌道から電子を失うので、遷移金属は 3d より先に 4s を失います。Fe³⁺ は [Ar] 3d⁵ で、単独の矢印5本、4s の箱はありません。

価電子の軌道図は何を示しますか？

最外殻だけ、つまり n が最大の s と p の箱を示し、内殻は貴ガスの元素記号で書きます。 硫黄なら [Ne] に続けて 3s ↑↓ と 3p ↑↓ ↑ ↑ で、価電子6個と不対電子2個がわかります。遷移金属では 3d の電子も結合に関わるので、3d の箱も描くのが普通です。

1つの箱の2本の矢印はなぜ逆向きなのですか？

パウリの排他原理により、同じ軌道の2個の電子はスピンが逆（+½ と −½）でなければならず、それを上向きと下向きの矢印で描くからです。 3個目の電子を受け入れる軌道はないので、1つの箱に矢印が3本以上入ることはありません。

出典

5.17: Hund's Rule and Orbital Filling Diagrams, Introductory Chemistry (CK-12) — LibreTexts
Orbital Diagrams, General Chemistry — Chemistry Steps

軌道図を描いてみましょう

元素かイオンを指定すれば、箱と矢印と電子配置がそろった図ができ、解答や講義スライドにそのまま使えます。

図を作る