遞建原理與元素週期表The Aufbau Principle and the Periodic Table

化學原理啟迪330

1.        利用原子的量子力學模型，我們顯示出各種不同原子的電子群的排列方式，再依據不同原子的電子群的排列方式為每一種元素排序，建立出元素週期表。在這裡，我們有一個重要的假設前提：所有原子的電子軌域都與氫原子模型的軌域類似。

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2.        我們依據元素在原子核內的質子數量由少到多逐一增加的順序（稱為原子序），將元素由小到大逐一排列，建立元素週期表；由於原子核的質子的數量會反映在電子數量上，所以，我們也可以依據填入原子軌域的電子由少到多逐一增加的順序，將元素由小到大逐一排列，建立元素週期表。以上法則稱為遞建原則aufbau principle。

3.        氫原子hydrogen有1顆電子，這顆電子在氫原子處於基態（最低能量狀態）時會在1s軌域活動。氫原子的電子組態寫為1s¹，可用以下的軌域圖表示：

圖中的箭頭是指電子某一種旋轉狀態。

4.        下一個元素氦helium有2顆電子。因為依據包立不相容原理，這二顆電子要共享同一個軌域必須旋轉方向相反，所以氦在1s軌域的二顆電子旋轉方向相反（用上下顛倒的箭頭表示），這產生1s²的電子組態：

5.        鋰lithium有3顆電子，其中2顆電子在1s軌域。由於主量子數n＝1（第一能階）時，只有1s軌域，沒有其他電子軌域，所以第3顆電子必須填入主量子數n＝2（第二能階）的最低能階軌域，2s軌域，電子組態寫法是1s²2s¹：

6.        鈹beryllium有4顆電子，佔據1s和2s軌域：

7.        硼boron有5顆電子，其中4顆在1s和2s軌域。第5顆電子進入到主量子數n＝2（第二能階）的第二種軌域，2p軌域；2p軌域在x軸、y軸、z軸上的軌域都相等，因此電子填入2p軌域的哪一個軌域都無所謂。

8.        碳有6個電子：2個電子填滿1s軌域，2個電子填滿2s軌域，2個電子在2p軌域。共有三個相等的2p軌域，電子將會分別填入其中二個2p軌域。

9.        當原子有2顆電子可以填入三個p軌域時，電子分別填入二個獨立的p軌域，而不是2顆電子一起填入同一個軌域，電子這種行為模式稱為洪德定理Hund's rule。

10.     洪德定理主張：原子的最低能階電子組態是，每個獨立的次軌域一一填入未成對的電子（單顆電子），使得原子軌域擁有最大數量的未成對電子。電子填入各殼層之下的次軌域的方式，符合包立不相容原理。

11.     徐弘毅注1：原子的電子軌域殼層之下的次軌域是什麼？原子是由原子核與電子組成，原子核外面包裹層層的電子軌域，舉例來說，p軌域是一個電子殼層，而p軌域本身還可分解為三種軌域px、py、pz，px、py、pz就是p軌域殼層之下的三個次軌域。此外，d殼層可以分成五個次軌域，f軌域可以分成七個次軌域。

12.     徐弘毅注2：為什麼洪德定理符合包立不相容原理？

因為依據包立不相容原理，當第一顆電子填入某個殼層之下的次軌域，要繼續填入第二顆電子時，第二顆電子的旋轉方向必須與第一顆電子相反，這就形成一個能量門檻，迫使第二顆電子必須額外增加能量調整自己的旋轉方向。

所以，第二顆電子選擇填入到另一個空的次軌域，這樣不需要調整旋轉方向，沒有能量門檻。由於所有的電子都優先選擇不需要調整旋轉方向的軌域填入，自然使得次軌域裡的未成對電子（單顆電子）達到最大數量。

13.     碳carbon的電子組態可寫成1s²2s²2p¹2p¹，2p¹2p¹描述2顆電子佔據2個不同的2p軌域。不過，碳的電子組態經常寫成1s²2s²2p²，一般都會將2p²視為是電子填入二個不同的2p次軌域。

特別留意，在2p軌域的未成對電子（單一個電子），這樣的電子分配方式符合洪德定理。

14.     氮nitrogen有7顆電子，氮的電子組態1s²2s²2p³。在2p軌域的三顆電子各自佔據不同的p次軌域：

15.     氧oxygen有8顆電子，氧的電子組態是1s²2s²2p⁴。三個2p次軌域中，有一個填入了成對的電子，依據包立不相容原理，這二顆電子的旋轉方向相反：

16.     氟fluorine（9顆電子）和氖neon（10顆電子）的電子組態如下：

氖的第一能階與第二能階（n＝1和n＝2）的所有電子軌域都填滿了電子。

17.     鈉sodium的前十個電子填滿1s、2s、和2p軌域，因此鈉的第十一個電子必須填入第三能階n＝3。鈉的電子組態是1s²2s²2p⁶3s¹。為了避免寫一長串的內層能階電子，我們將電子組態簡寫成[Ne]3s¹，[Ne]代表氖的電子組態1s²2s²2p⁶。

18.     下一個元素鎂magnesium的電子組態是1s²2s²2p⁶3s²，或寫成[Ne]3s²。接下來從鋁aluminum到氬argon的六個元素的電子組態，原子序每增加一個，電子就增加一個，3p的空軌域又多填入一顆電子，就這樣到了第六個元素氬的時候，3p軌域完全被6顆電子填滿。

19.     下圖摘要前十八個元素的電子組態

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ；

高基氏體 The Gologi Apparatus

探索生命《生物學》40

1.        細胞內還有一種網絡稱為高基氏體Golgi apparentus，高基氏體由密封囊袋細胞膜組成，每一層囊袋膜彼此近乎平行。

Bridge Over Troubled Water

2.        從內質網出芽吐出的運輸囊泡朝高基氏移動，然後囊泡與高基氏體合而為一，將內質網囊泡內新合成的蛋白質與脂質輸送給高基氏體。高基氏體出芽吐出的囊泡接著將運送「建造膜的化合物質」給其他胞器和細胞膜。

3.        負責分泌各種化學物質的細胞，高基氏體特別發達，例如胰臟細胞會分泌胰島素，或者像腸細胞負責分泌黏液。高基氏體在分泌細胞裡扮演的角色包括儲存、修飾和打包細胞預備分泌的產物。

4.        高基氏體也是細胞內主要負責指揮運送大型分子的器官。內質網的脂質與蛋白質被運送到高基氏體，然後高基氏體打包這些物質成囊泡，也許運送到高基氏體的其他部位，也可能運送到其他胞器。

5.        高基氏體不會合成蛋白質，但會能夠從單醣合成多醣polysaccharides，將多醣黏上被送來蛋白質和脂質，製造出醣脂質glycolipids和醣蛋白glycoproteins。

6.        部分高基氏體製造的醣脂質glycolipids和醣蛋白glycoproteins被包裹成囊泡，往外運送到細胞膜，然後以細胞膜的囊泡外吐進入到膜外的醣原萼膜。

7.        高基氏體製造的分泌囊泡對增加細胞膜表面積舉足輕重。當一個囊泡移動到細胞膜表面，它融入細胞膜，然後囊泡外吐、破裂，將囊泡內的物質透過胞吐作用釋放到周遭。囊泡破裂之後，部分或甚至全部的囊泡外膜繼續留置在細胞膜上，永久地添加在細胞膜上。

8.        研究證明，高基氏體靠近細胞內側的膜，與核膜和內質網的膜十分類似；但是高基氏體愈靠近外側的膜，長得愈像細胞膜。似乎從細胞核到高基氏體，到細胞膜，彼此之間存在著連動關係。

9.        所以，一個從粗糙內質網製造出來的膜分子，接著會出現在平滑內質網，再到高基氏體，變成一個囊泡膜，最後抵達細胞膜。

10.     細胞膜上的囊泡，可能以空囊泡之姿再回到高基氏體或者到其他器官。這是細胞膜磷脂質的重要循環過程。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Scienceblogs.com、 Organelle-marker.com