关于此实验
为什么钠和钾的性质如此相似？为什么元素周期表的形状如此特别？答案在于电子围绕原子核的排布方式。电子按固定顺序填入能级和轨道；每个轨道最多容纳两个自旋方向相反的电子，而在能量相同的轨道中，电子会先分别占据各个轨道，再开始成对。每次增加一个质子，从氢开始逐步构建原子，直到氪；比较电子层模型与轨道模型，并通过形成离子来观察哪些电子最先离开。
学习目标
- 用完整写法和稀有气体简写写出元素1至36的电子排布
- 应用构造原理、泡利不相容原理和洪特规则
- 将电子层排布2、8、8与完整的亚层排布联系起来
- 解释周期表的 s、p 和 d 区块如何由电子填充顺序决定
- 写出离子的电子排布，包括过渡金属离子
使用方法
- 1点击“Build up”，观察从氢到氪的原子。3p 之后填充的是哪个亚层？为什么不是 3d？
- 2在氮处停下。3 个 2p 电子在方框中如何排列？有几个未成对电子？与氧比较。
- 3比较锂、钠和钾的电子排布。它们有什么共同点？这如何解释它们的化学性质？
- 4查看底部的表格。当前元素属于哪个区块？这与最后填充的亚层如何对应？
- 5查看铬和铜。它们与简单规律有什么不同？阅读说明。
- 6生成 Na⁺、Cl⁻ 和 O²⁻。它们各自达到哪种稀有气体的电子排布？
- 7生成 Fe²⁺ 和 Fe³⁺。哪些电子先离开？为什么 Fe³⁺ 特别稳定？
- 8在电子层顺序和填充顺序之间切换。你的考试机构采用哪种表示方式？
模型
假设
- 气相中自由原子和离子的基态。仅涵盖元素 1 至 36。
- 中性原子遵循 n + l 填充顺序，但铬（3d⁵ 4s¹）和铜（3d¹⁰ 4s¹）是此范围内仅有的例外。
- 正离子先从最外层移除电子；在同一层内，先移除 p 电子，再移除 s 电子。负离子则按照填充顺序加入电子。
- 轨道方框图是一种记录方式：箭头表示自旋向上和向下，并非真实的运动。
在课堂上试试这个实验
- Q1写出硫原子和 S²⁻ 的完整电子排布。
- Q2某元素的电子排布为 [Ar] 3d³ 4s²。写出它的名称和族。
- Q3锰原子有多少个未成对电子？Mn²⁺ 呢？
- Q4为什么钾和钙中 4s 先于 3d 填充，而钪形成 Sc³⁺ 时却先失去 4s 电子？
- Q5为什么同一族的元素具有相似的化学性质？
常见问题
4s应该写在3d前面还是后面？
两种写法都能见到。按电子层顺序书写亚层（[Ar] 3d⁶ 4s²）是IUPAC的写法，许多考试机构也采用这种写法。按填充顺序书写（[Ar] 4s² 3d⁶）则体现了电子加入的顺序。请确认你的课程采用哪种写法；本实验两种都展示。
为什么2、8、8规则并不能说明全部情况？
第三层最多可容纳18个电子，但4s的能量低于3d，因此在第三层填满之前，钾就开始填充第四层。简单的2、8、8模式只适用于钙及之前的元素。
元素周期表更靠下的位置还有更多例外吗？
有。钼、银、金以及其他一些元素也不遵循简单的顺序。对于重元素，各轨道的能量非常接近，因此不经过计算很难预测其电子排布。