關於此實驗
為什麼鈉和鉀的性質如此相似？為什麼元素週期表的形狀如此特別？答案在於電子圍繞原子核的排列方式。電子依照固定順序填入能階和軌域；每個軌域最多容納兩個自旋方向相反的電子，而在能量相同的軌域中，電子會先分別佔據各個軌域，再開始成對。每次增加一個質子，從氫開始逐步建構原子，直到氪；比較電子層模型與軌域模型，並透過形成離子來觀察哪些電子最先離開。
學習目標
- 用完整寫法和稀有氣體簡寫寫出元素1至36的電子組態
- 應用構築原理、包立不相容原理和洪德規則
- 將電子層排列2、8、8與完整的亞層排列連結起來
- 解釋週期表的 s、p 和 d 區塊如何由電子填入順序決定
- 寫出離子的電子組態，包括過渡金屬離子
使用方法
- 1按下「Build up」，觀察從氫到氪的原子。3p 之後填入的是哪個副層？為什麼不是 3d？
- 2在氮處停下。3 個 2p 電子在方框中如何排列？有幾個未成對電子？與氧比較。
- 3比較鋰、鈉和鉀的電子組態。它們有什麼共同點？這如何解釋它們的化學性質？
- 4查看底部的表格。目前的元素屬於哪個區塊？這與最後填入的副層如何對應？
- 5查看鉻和銅。它們與簡單規律有什麼不同？閱讀說明。
- 6生成 Na⁺、Cl⁻ 和 O²⁻。它們各自達到哪種惰性氣體的電子組態？
- 7生成 Fe²⁺ 和 Fe³⁺。哪些電子會先離開？為什麼 Fe³⁺ 特別穩定？
- 8在電子層順序和填入順序之間切換。你的考試機構採用哪種表示法？
模型
假設
- 氣相中自由原子和離子的基態。僅涵蓋元素 1 至 36。
- 中性原子遵循 n + l 填充順序，但鉻（3d⁵ 4s¹）和銅（3d¹⁰ 4s¹）是此範圍內僅有的例外。
- 正離子先從最外層移除電子；在同一層內，先移除 p 電子，再移除 s 電子。負離子則按照填充順序加入電子。
- 軌域方框圖是一種記錄方式：箭頭表示自旋向上和向下，並非真實的運動。
在課堂上試試這個實驗
- Q1寫出硫原子和 S²⁻ 的完整電子組態。
- Q2某元素的電子組態為 [Ar] 3d³ 4s²。寫出它的名稱和族。
- Q3錳原子有多少個未成對電子？Mn²⁺ 呢？
- Q4為什麼鉀和鈣中 4s 先於 3d 填充，而鈧形成 Sc³⁺ 時卻先失去 4s 電子？
- Q5為什麼同一族的元素具有相似的化學性質？
常見問題
4s應該寫在3d前面還是後面？
兩種寫法都看得到。依電子層順序書寫次層（[Ar] 3d⁶ 4s²）是IUPAC的寫法，許多考試機構也採用這種寫法。依填充順序書寫（[Ar] 4s² 3d⁶）則呈現電子加入的順序。請確認你的課程採用哪種寫法；本實驗兩種都會展示。
為什麼2、8、8規則並不能說明全部情況？
第三層最多可容納18個電子，但4s的能量低於3d，因此在第三層填滿之前，鉀就開始填入第四層。簡單的2、8、8模式只適用於鈣及之前的元素。
元素週期表更下方還有更多例外嗎？
有。鉬、銀、金以及其他一些元素也不遵循簡單的順序。對於重元素，各軌域的能量非常接近，因此不經過計算很難預測其電子組態。