原子価結合法と分子軌道法の違いがいまいち分かりません。数式ばかり並べられているのを見てもどこがどう違うのかを言葉でうまく表現出来ません。本なども読んでみたのですが、どれも難しすぎて、明確にどこがどう違うのかが分かりません。どなたか分かりやすく、これらの違いを説明してくださいませんか？

レスが付かないようなので、一言。このサイトのココ↓ http://okwave.jp/kotaeru.php3?q=561839 に大変詳しく、分かりやすい解説が載っていますよ。一度ご参照してみてください。参考URL：http://okwave.jp/kotaeru.php3?q=561839

原子価結合法と分子軌道法 -原子価結合法と分子軌道法の違いがいまいち- 化学

Q結合性軌道と反結合性軌道とは？

結合性軌道と反結合性軌道とはどういうものなのでしょうか？
調べてみたのですが少し専門的で理解できませんでした。
初心者にも分かる程度にご教授お願いいたします。

また、「水素の分子軌道において、基底状態では反結合性軌道に電子が含まれない」ということも合わせて教えていただけるとうれしいです。

Aベストアンサー

分子の化学結合理論で、分子軌道法という理論の中で使われます。
文だけで分かりづらいと思うので画像をご覧ください。

まず、簡単に水素原子2つから水素分子1つができる過程を考えます。
それぞれの水素は1s軌道に電子を1つずつ持っています。
この2つの1s軌道は相互作用し、エネルギーの異なる2つの軌道ができます。
このときエネルギーの低い方の軌道は、2つの軌道の電子波の位相（波動関数の符号）を合わせて重なります。
すると重なった部分（2つの原子間）の電子密度が高くなり、この軌道の電子は2...続きを読む

他の回答も見る

Qσ結合、π結合、sp3混成？？？

こんにちわ。今、有機化学の勉強をしているのですが、よくわからないことがでてきてしまったので質問させていただきます。なお、この分野には疎いものなので、初歩的なことかもしれませんがよろしくおねがいします。

題名の通りで、σ結合、π結合、混成軌道とはどういう意味なのですか？？手元にある資料を読んだのですが、全くわからなかったので、どなたかお教えいただければ幸いです

Aベストアンサー

σはｓに対応しています。ｓとｓの結合でなくともｓとｐ他の結合でも良いのですが、対称性で、「結合に関与する(原子)軌道が（分子軌道でも良い）結合軸に関して回転対称である」つまり結合軸の周りにどの様な角度回しても変化のない結合です。
πはｐから来たもので、結合が「結合に関与する軌道(同上）が結合を含む面内に『一つ』の節を持ち結合軸上に電子密度のないもの」を指します。当然ｓは使えませんｐかｄかから作ります。
混成軌道：例えばｓ1ｐ3の軌道があったときこれらからsp+2×p、sp2+ｐ、sp3のいずれの組み合わせを(数学的に）作っても、どれもが四つの「直交した」軌道になります。
この様に「典型的な」表現から他の数学的に等価な(直交した）はじめの軌道数と同数の軌道を作り出したものです。
もっぱら化学結合の立体特異性を説明するのに使われます。
ライナス・ポーリング先生達が考え出したもののようです。

他の回答も見る

QVB法とMO法のちがいについて

VB法とMO法のちがいについての説明を、水素分子についての例で教えてください。

Aベストアンサー

数式については量子化学の教科書などにたくさんでていますので、ここではその意味するところについて書きますね。

ＶＢ法では、水素分子をＡ－Ｂとし、Ａという原子に属する電子をＨａと書くと、Ｈａと原子核Ａとの相互作用、Ｈａと原子核Ｂとの相互作用を考慮します。同様にＨｂについてもそれぞれの相互作用を考え、さらに核間反発Ａ－Ｂを考えます。このように、水素原子Ａ，Ｂについて、それぞれの電子ー原子核相互作用を考慮し、方程式を立てて計算するわけです。

一方、ＭＯ法ではＡ－Ｂについて始めから原子Ａと原子Ｂからひとつの分子の軌道を作成し、そこに電子を入れて分子軌道を作ります。その結果、方程式を解くと結合性軌道を半結合性軌道が作成されます。

このように軌道の作り方が違うのだと思います。

他の回答も見る

Qエネルギー準位図のかきかた

今大学一年です。
分子軌道法を用いて説明するときの、エネルギー準位図をかくとき、π結合の軌道を一重線のときや二重線のときがありますが、これはどう違うのでしょうか？

初歩的な質問なので教授にも聞けず…どなたかよろしくお願いします。

Aベストアンサー

>π結合の軌道を一重線のときや二重線のとき
これはベンゼンのときなど「対称性が高い」場合に現れます。
ベンゼンのｐ軌道からつくられるπ軌道のＨＯＭＯ、π*のＬＵＭＯは同じエネルギーの軌道が二つずつあります。
化学では「縮重」、物理では「縮退」と呼びます。
対称性が高い分子の場合に見られます。
電子のエネルギーレベルだけでなく振動エネルギーの軌道などでも見られます。
原子の軌道でも、ｐx、ｐy、ｐzなどは縮重しています。
分子の場合ベンゼン以外で良く知られているのは三重項酸素の反結合軌道(ＬＵＭＯ)二つの縮重です。

他の回答も見る

Q双極子モーメントの求め方について

薬学１回生です。有機化学の教科書で、双極子モーメントというものがあるのですが、求め方がよくわかりません。教科書にはμ＝q×r（q：電荷、r：両電荷間の距離）と書いてあります。
いったいどこを見て電荷や両電荷間の距離がわかるのですか？表などがあるのでしょうか？
お分かりの方がいらっしゃいましたら、詳しく教えていただけるととてもありがたいです。

Aベストアンサー

＞いったいどこを見て電荷や両電荷間の距離がわかるのですか？表などがあるのでしょうか？

薬学1回生ということなので、これからいろいろ知識を獲得していかれることと思います。さて、直接的な答えにはなりませんが、参考ＵＲＬの「電気陰性度と極性」のところは一読の価値があると思います。また、次のサイトも覗いてみてください。簡単な分子の双極子モーメントが与えられていたり、分子の形と双極子モーメントの関係などが載っています。
　http://www.keirinkan.com/
　　　↓
　　化学(2)
　　　↓
　共有結合によって結びついた物質
以上、ご参考まで。

参考URL：http://www.shse.u-hyogo.ac.jp/kumagai/eac/chem/lec6-2.html

他の回答も見る

Qヤーンテラー効果について

ヤーンテラー効果について勉強したのですがよく分かりません。もし分かりやすく説明してくれる方がいればよろしくお願いします。

Aベストアンサー

Jahn-Teller効果ですか．むずかしいですよね～．ということで，「わかりやすく，イメージをつかむ」というのをモットーに（!?），ここではJahn-Teller効果の一例である「正方晶ひずみ」のお話をします．

正方晶ひずみをチョー簡単に言ってしまえば，
「Cu錯体がなぜ正方形配位型なのか」
を説明したものなのです．

じゃあ，なんでそうなるのっ？（古っ！）って思いますよね．そこで，結晶場理論をもとにこれを説明します．

そもそも，d錯体って，八面体配位であるか，四面体配位ですよね（ただ，四面体配位は例が少ないので省略します）．例えば，Fe錯体なんかはたいてい八面体配位（配位子が６個）って教わりましたね．しかし，Cu錯体やPt錯体などはなぜか正方形の配位をとります．本来であれば，八面体配位をとったほうがよさそうな感じがしますよね．だって，FeとCuって電子が3つしか違わないから．

ここで，Jahn-Teller効果にもとづく正方晶ひずみという効果が生じてきます．これって何かというと，z軸方向の配位距離（金属と配位子との距離）が伸び，xy方向の配位距離が縮まるのです．つまり，八面体を横からグシャッとつぶして縦にビヨーンと引っ張った感じになります．

このような傾向は，d軌道の電子が多いほど起こりやすくなります．
こうやって，もしもz軸方向の配位距離が無限に伸びてしまったら？そう，z軸方向の配位子はどっかに飛んでいってしまい，結果として正方形状に並んだ4つの配位子だけが残ります．

つまり，「Cu錯体が正方形配位であるのは，八面体がひずんでz軸方向の配位子がなくなったからである」といえましょう．

しかし，「なんでd軌道の電子が増えるとz軸方向に伸びるの？」と思われますよね．これは電子軌道理論で説明できます．
八面体のときは，d軌道は3:2に分裂してますよね．低エネルギーで縮退している3軌道はdxy,dyz,dzxで，高エネルギーのそれはd(xx-yy)，dzzです．さて，d軌道の電子が増えると，実は二重および三重に縮退していた軌道が分裂して，2:1:1:1とこま切れになってしまいます．具体的には，z因子を含む軌道（dyz,dzx,dzz）の3つのエネルギーが低下します．（なんでそうなるのかについてはムズカシイので省略させてください）

う～ん，なにやらムズカシイお話になってしまいましたね．
でも，「d軌道の縮退が変化する＝配位の形も変化する」ということはなんとなく予想できますよね．これを理論的に説明したのがJahn-Teller効果です．

こんな稚拙な説明でわかっていただけたでしょうか．
もし，「この文章のここがよくわからない」などがありましたら，補足をお願いいたします．また，これ以上の内容についてはShriver（シュライバー）著『無機化学』p．354あたりに書いてあるので，そちらをご覧ください．

Jahn-Teller効果ですか．むずかしいですよね～．ということで，「わかりやすく，イメージをつかむ」というのをモットーに（!?），ここではJahn-Teller効果の一例である「正方晶ひずみ」のお話をします．

正方晶ひずみをチョー簡単に言ってしまえば，
「Cu錯体がなぜ正方形配位型なのか」
を説明したものなのです．

じゃあ，なんでそうなるのっ？（古っ！）って思いますよね．そこで，結晶場理論をもとにこれを説明します．

そもそも，d錯体って，八面体配位であるか，四面体配位ですよね（ただ，四...続きを読む

他の回答も見る

Qミラー指数：面間隔bを求める公式について

隣接する２つの原子面の面間隔dは、ミラー指数hklと格子定数の関数である。立方晶の対称性をもつ結晶では

d=a/√(h^2 + k^2 + l^2)　・・・（１）

となる。

質問：「(１)式を証明せよ」と言われたのですが、どうすれば言いかわかりません。やり方を教えてもらえませんか_|￣|○

Aベストアンサー

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベクトルと全く同じになります。すなわち立方晶の(111)面の法線ベクトルは(1,1,1)ですし、(100)面の法線ベクトルは(1,0,0)です。法線ベクトルなら「ミラー指数」よりずっと親しみがあり解けそうな気分になると思います。

さて(hkl)面に相当する平面の方程式を一つ考えてみましょう。一番簡単なものとして
hx + ky + lz=0　　(1)
があります。(0,0,0)を通る平面で法線ベクトルは(h,k,l)です。
これに平行な、隣の平面の式はどうでしょうか。
hx + ky + lz = a　　(2a)
hx + ky + lz = -a　　(2b)
のいずれかです。これがすぐ隣の平面である理由(そのまた間に他の平面が存在しない理由)は脚注*2に補足しておきました。
点と直線の距離の公式を使えば、題意の面間隔dは原点(0,0,0)と平面(2a)の間隔としてすぐに
d=a/√(h^2+k^2+l^2)　　(3)
と求められます。

点と直線の距離の公式を使わなくとも、次のようにすれば求められます。
原点Oから法線ベクトル(h,k,l)の方向に進み、平面(2a)とぶつかった点をA(p,q,r)とします。
OAは法線ベクトルに平行ですから、新たなパラメータtを用いて
p=ht, q=kt, r=lt　　(4)
の関係があります。
Aは平面(2a)上の点でもありますから、(4)を(2a)に代入すると
t(h^2+k^2+l^2)=a
t=a/(h^2+k^2+l^2)　　(5)
を得ます。
ここにOAの長さは√(p^2+q^2+r^2)=|t|√(h^2+k^2+l^2)なので、これを(5)に代入して
|a|/√(h^2+k^2+l^2)　　(6)
を得ます。OAの長さは面間隔dにほかならないので、(3)式が得られたことになります。

bokoboko777さん、これでいかがでしょうか。

*1 (h, k, l)の組が共通因数を持つ場合には、共通因数で割り互いに素になるようにします。例えば(111)面とは言いますが(222)面なる表現は使いません。
*2 左辺はhx+ky+lzでよいとして、なぜ右辺がaまたは-aと決まるのか(0.37aや5aにならないのは何故か)は以下のように説明されます。
平面をhx+ky+lz = C (Cはある定数)と置きます。この平面は少なくとも一つの格子点を通過する必要があります。その点を(x0,y0,z0)とします。
h,k,lはミラー指数の定義から整数です。またx0,y0,z0はいずれもaの整数倍である必要があります(∵格子点だから)。すると右辺のCも少なくともaの整数倍でなければなりません。
次に右辺の最小値ですが、最小の正整数は1ですから平面hx + ky + lz = aが格子点を通るかどうかを調べ、これが通るなら隣の平面はhx + ky + lz = aであると言えます。このことは次の命題と等価です。
<命題>p,qが互いに素な整数である場合、pm+qn=1を満たす整数の組(m,n)が少なくとも一つ存在する
<証明>p,qは正かつp＞qと仮定して一般性を失わない。
p, 2p, 3p,...,(q-1)pをqで順に割った際の余りを考えてみる。
pをqで割った際の余りをr[1](整数)とする。同様に2pで割った際の余りをr[2]・・・とする。
これらの余りの集合{r[n]}(1≦n≦(q-1))からは、どの二つを選んで差をとってもそれはqの倍数とは成り得ない(もし倍数となるのならpとqが互いに素である条件に反する)。よって{r[n]}の要素はすべて異なる数である。ところで{r[n]}は互いに異なる(q-1)個の要素から成りかつ要素は(q-1)以下の正整数という条件があるので、その中に必ず1が含まれる。よって命題は成り立つ。

これから隣の平面はhx + ky + lz = aであると証明できます。ただここまで詳しく説明する必要はないでしょう。証明抜きで単に「隣の平面はhx + ky + lz = aである」と書くだけでよいと思います。

参考ページ：
ミラー指数を図なしで説明してしまいましたが、図が必要でしたら例えば
http://133.1.207.21/education/materdesign/
をどうぞ。「講義資料」から「テキスト　第３章」をダウンロードして読んでみてください。(pdfファイルです)

参考URL：http://133.1.207.21/education/materdesign/

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベ...続きを読む

他の回答も見る

Q分光化学系列と配位子場分裂　高スピンか低スピンか？

只今錯体の勉強をしています。
配位子場理論において、金属と配位子の軌道の相互作用によって、配位子場分裂（Δ）することはわかりました。この時の「エネルギーΔ」と、電子が同一軌道にスピン対をつくって入る際の「電子間反発エネルギー」の大小により、金属のｄ軌道の電子配置が高スピンになるか低スピンになるか、理解することはできました。

配位子場分裂（Δ）の大きさは、分光化学系列に則った配位子の違いによるものと記憶しています。

また一般に第一遷移金属元素に比べ第二、第三の方が低スピンになると教科書（シュライバーよりかなり大まかです）には書いてありました。

ここで疑問なのですが例えば、[Co(en)3]3+という錯体について考えたとき、Δ及び電子間反発エネルギーの具体的は値、または大小関係が分からなくても、分光化学系列と第何遷移金属といった情報だけで、Coのｄ軌道の電子は高スピン、低スピンどちらか分かるものなのでしょうか？

つまるところ、金属の種類ごとに、分光化学系列で真ん中（H2O）辺りより左側の配位子は低スピンになる～といったaboutな予測はできないのでしょうか？

また、もう一点、分光化学系列は大まかにC＞N＞O>Xとなっていますが、なぜでしょうか？配位子と金属のπ軌道の相互作用という面では理解できましたが、以下の説明がわかりません。
「配位子の電気陰性度が増加し、金属にσ供与するエネルギー準位が低下するので、この軌道と金属のσ対称性のeg*軌道とのエネルギー差がC,N,O,Xの順に大きくなり、その結果軌道相互作用が小さくなってΔが小さくなる」

大変長く、またわかりにくい文章となってしまいましたが回答お願いします。

只今錯体の勉強をしています。
配位子場理論において、金属と配位子の軌道の相互作用によって、配位子場分裂（Δ）することはわかりました。この時の「エネルギーΔ」と、電子が同一軌道にスピン対をつくって入る際の「電子間反発エネルギー」の大小により、金属のｄ軌道の電子配置が高スピンになるか低スピンになるか、理解することはできました。

配位子場分裂（Δ）の大きさは、分光化学系列に則った配位子の違いによるものと記憶しています。

また一般に第一遷移金属元素に比べ第二、第三の方が低スピンに...続きを読む

Aベストアンサー

> 金属の種類ごとに、分光化学系列で真ん中（H2O）辺りより左側の配位子は低スピンになる～といったaboutな予測はできないのでしょうか？

できます。

配位子の分光化学系列ほど有名ではありませんけど、金属イオンの分光化学系列というものがありまして

　Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ < V2+ < Fe3+ < Co3+

の順で配位子場分裂Δが大きくなります。[Co(en)3]3+について考えると、Co3+はΔが大きくなるイオン、enはΔがそこそこ大きくなる配位子なので、[Co(en)3]3+は低スピン錯体になることがわかります。

おおざっぱには
　Mn2+はNO2とCNの間、
　Co2+はphenとNO2の間、
　Fe2+はenとbpyの間、
　Fe3+はH2Oとenの間、
　Co3+はFとH2Oの間、
に高スピン錯体と低スピン錯体の境界線があります。

Mn3+とCr2+はヤーン-テラー効果のために正八面体構造からずれるので少し厄介で、これらのイオンはふつう金属イオンの分光化学系列には含めません。Mn3+では高スピンになる錯体がほとんどで、低スピンになるのは[Mn(CN)6]4-くらいです。Cr2+では、[Cr(en)3]2+が高スピン、[Cr(bpy)3]2+が低スピンになるので、Fe2+とだいたい同じところに境界線があると考えればいいです。Ni3+は、事実上すべて低スピン錯体になります。

> 分光化学系列は大まかにC＞N＞O＞Xとなっていますが、なぜでしょうか？

配位子のπ軌道と金属のd軌道との相互作用のためです。金属にσ供与する軌道のエネルギー準位の違いは、分光化学系列にはあまり影響しません。このことは、ハロゲンの順序が F>Cl>Br>I になっていることから分かります。もしσ供与する軌道のエネルギー準位の違いが分光化学系列を決めているのならば、I>Br>Cl>Fの順になるはずです。ふつうは、「F→Iの順にΔが小さくなるのは、F→Iの順にπ供与性が強くなるからだ」という説明がなされます。

> 以下の説明がわかりません。
> 「配位子の電気陰性度が増加し、金属にσ供与するエネルギー準位が低下するので、この軌道と金属のσ対称性のeg*軌道とのエネルギー差がC,N,O,Xの順に大きくなり、その結果軌道相互作用が小さくなってΔが小さくなる」

金属にσ供与する配位子のエネルギー準位は、金属のd軌道よりも低いところにあります。配位子のエネルギー準位が低くなれば低くなるほど、金属のd軌道とのエネルギー差が大きくなるので、軌道相互作用が小さくなってΔが小さくなります。配位子のエネルギー準位は配位子のイオン化エネルギーの符号を変えたものなので、配位子の電気陰性度が増加するほど低くなります。

> 金属の種類ごとに、分光化学系列で真ん中（H2O）辺りより左側の配位子は低スピンになる～といったaboutな予測はできないのでしょうか？

できます。

配位子の分光化学系列ほど有名ではありませんけど、金属イオンの分光化学系列というものがありまして

　Mn2+ < Ni2+ < Co2+ < Fe2+ < V2+ < Fe3+ < Co3+

の順で配位子場分裂Δが大きくなります。[Co(en)3]3+について考えると、Co3+はΔが大きくなるイオン、enはΔがそこそこ大きくなる配位子なので、[Co(en)3]3+は低スピン錯体になることがわかります。
...続きを読む

他の回答も見る

Q配位子場安定化エネルギー？？？

次の金属イオンが高スピン型の八面体形と四面体形錯体をつくるとき、両者の配位子場安定化エネルギーの差を計算せよ。ただし、Δ_t=(4/9)Δ。とする。
(1)Cr2+　(2)Mn2+　(3)Fe2+

という問題で、（上の問題文が見づらいようでしたら
https://drive.google.com/file/d/0B5GeO_NHMdeRMm82OUhOMmFabzA/edit?usp=sharing
をご覧ください。全く同じ問題文です）

解答は
https://drive.google.com/file/d/0B5GeO_NHMdeRSXlPQWZOdFVNS1k/edit?usp=sharing
です。
解答を見てもちんぷんかんぷんです。

問題文に出てくるデ...続きを読む

Aベストアンサー

> 問題文に出てくるデルタのような記号Δは何ですか？

配位子場分裂パラメーターです。

> 添え字の t と o も何なんでしょうか。

それぞれ tetrahedral と octahedral の頭文字です。

> LSFE も???です。

LSFEではありません。LFSEです。Ligand Field Stabilization Energy の略です。日本語でいうと配位子場安定化エネルギーです。

> 解答を見てもちんぷんかんぷんです。

Cr2+の八面体形錯体の場合は、以下のようにLFSEを計算します。

Crは周期表第６族の元素だから、これの２価イオンのｄ電子数は６－２...続きを読む

他の回答も見る

Q電子配置について

Ni2+（ニッケルイオン）の電子配置と不対電子を示せという問題で僕は、[Ar]3d64s2と考えたのですが・・・答えは[Ar]3d8となっています。電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか？よくわからないので教えてください。

Aベストアンサー

> 電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか？
中性の原子では、そうなりますね（CrとCuは例外）。
ですけど、イオンではそうはならないです。

■考え方その１
遷移金属の陽イオンでは、3d軌道が満たされてから4s軌道に入る、と考えます。これらのイオンの4s軌道はふつう空っぽになりますから、第４周期の１族～12族の金属イオンでは、
　3d電子の数＝族番号－イオンの価数
という公式が成り立ちます。

■考え方その２
あるいは、中性の原子を基準に考えて、
　軌道から電子が抜けるときには、4s軌道から先に抜ける。
と覚えるのもいいです。

■Ni2+の場合
はじめの考え方に従うと、ニッケルは10族、イオンの価数は２なので、
　3d電子の数＝10－2＝8
となって、電子配置は[Ar]3d8になります。
　二番目の考え方では、中性のニッケル原子の電子配置[Ar]3d84s2から、電子を２個抜いたのが２価ニッケルイオンなので、4s軌道から電子を２個抜くと、イオンの電子配置は[Ar]3d8になります(Ni3+ならNi2+の電子配置からさらに１個電子を抜いて、[Ar]3d7になります)。

■考え方が破綻する例
Ca+,Sc+,Ti+,V+,Mn+,Fe+,Co+,Ni+,Zn+では、これらの二つの考え方から導かれる答えは一致しません。例えば、考え方その１ではNi+の電子配置は[Ar]3d9になりますが、考え方その２ではNi+の電子配置は[Ar]3d84s1になります。しかしこれらの１価の陽イオンは、きわめて特殊な条件下でしか生成しませんので、通常これらの電子配置が問題になることはありません。
　第４周期の１族～12族の１価金属イオンで重要なものは、K+とCu+です。この二つのイオンに関しては、考え方その１でも考え方その２でも、正しい電子配置を与えます。

■なぜ中性原子とイオンで電子の詰め方が変わるのか？
カリウム（原子番号19）とカルシウム（原子番号20）では、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低いのですけど、じつは、原子番号が20より大きい原子では、エネルギーの順序が逆転して、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低くなります。
　ですので、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールに従えば、Sc,Ti,V,Cr,Mn,...では、4s軌道よりも先に3d軌道に電子を詰めていくことになるのですけど、こうやって作った電子配置は、中性原子（と多くの一価イオン）では、正しい電子配置にはなりません。つまり、原子番号が20より大きい中性原子では、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールだけでは、正しい電子配置を予測することができません。
　この困難を乗り越えるためには、本当ならば、「電子と電子の間に働くクーロン反発力」を考えに入れなければならないのですけど、これが結構めんどうな話になります。そこで、めんどうな話を避けるために、少し反則気味なのですけど、「エネルギーが低い軌道から電子を詰めていく」というルールだけを使って正しい電子配置を予測できるように、『原子番号が20より大きい原子でも、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低い』ということにしておいて、4s軌道が満たされてから3d軌道に電子が入る、という説明がなされます。
　陽イオンでは、中性原子に比べて電子が少なくなっていますので、電子と電子の間に働くクーロン反発力は、中性原子のそれと比べて小さくなります。そのため、クーロン反発の話を無視しても、正しい電子配置を得ることができます（一価の陽イオンは除く）。本来、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低いのですから、3d軌道が満たされてから4s軌道に電子が入る、ということになります。

■まとめ
中性原子では、4s軌道の方が3d軌道よりもエネルギーが低いので、4s軌道が満たされてから3d軌道に電子が入る。
陽イオンでは、4s軌道よりも3d軌道の方がエネルギーが低いので、3d軌道が満たされてから4s軌道に電子が入る。
中性原子と陽イオンで軌道の順序が変わるのは、電子と電子の間に働くクーロン反発力が陽イオンでは小さくなるからである。

> 電子軌道は4s軌道が満たされてから3d軌道に入るのではないのですか？
中性の原子では、そうなりますね（CrとCuは例外）。
ですけど、イオンではそうはならないです。

■考え方その１
遷移金属の陽イオンでは、3d軌道が満たされてから4s軌道に入る、と考えます。これらのイオンの4s軌道はふつう空っぽになりますから、第４周期の１族～12族の金属イオンでは、
　3d電子の数＝族番号－イオンの価数
という公式が成り立ちます。

■考え方その２
あるいは、中性の原子を基準に考えて、
　軌道から電子が...続きを読む

他の回答も見る