遞建原理與元素週期表（二）The Aufbau Principle and the Periodic TableⅡ

化學原理啟迪331

Beethoven: Piano Concerto No. 2, Mvmt. 1a

1.        價電子valence electrons，是原子最外層主量子數的電子。舉例來說，氮的價電子是 2s 軌域與 2p 軌域的電子。鈉的價電子是 3s 軌域的電子，價電子的觀念適用於所有元素。

2.        對化學家來說，原子的價電子非常重要，因為原子的價電子影響到他們在化學反應中的鍵結情形。原子的內層電子稱為核電子core electrons。

3.        元素週期表上同一行的各個元素屬於同族元素，同族元素的價電子組態一樣（同一族的不同元素，只有能階不同，電子組成結構一樣）。

4.        建立元素週期表的始祖是門德列夫，門德列夫一開始就是依據化學性質的相似性排列元素，經過歷史上許多科學家的努力，現在我們知道部分元素彼此性質相似的原因是它們的價電子組態一樣。

5.        氬Ar的下一個元素是鉀K。因為氬的 3p 軌域已經填滿，按照主量子數 n＝3 的次軌域依序是 3s、3p、3d，我們預期下一個電子應該是填入鉀的 3d 軌域，可是事實卻與預期不同。

6.        鉀K的化學特性與鋰Li和鈉Na相似，這代表價電子是填入鉀的4s軌域而不是3d軌域，許多實驗已證實這個結論是正確的。鉀K的電子組態是：

K：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ 或 [Ar]4s¹

7.        鉀的下一個元素是鈣calium，鈣的電子組態是：

Ca：[Ar]4s²

8.        鈣的下一個元素是鈧Sc，從鈧到鋅連續十個元素稱為過渡金屬transition metals，過渡金屬元素的電子組態是五個3d軌域。鈧的電子組態是：

Sc：[Ar]4s²3d¹

9.        鈧的下一個元素是鈦Ti，鈦的電子組態是：

Ti：[Ar]4s²3d²

鈦的下一個元素是釩V，釩的電子組態是：

V：[Ar]4s²3d³

10.     釩的下一個元素是鉻Cr，按照一般的預期，鉻的電子組態應該是[Ar]4s²3d⁴，然而，觀察到的電子組態卻是：

Cr：[Ar]4s¹3d⁵

特別留意，鉻的4s與3d軌域都是電子半填滿。

11.     接下來四個元素，從錳Mn到鎳Ni的電子組態按照一般預期的規則：

Mn： [Ar]4s²3d⁵

Fe： [Ar]4s²3d⁶

Co： [Ar]4s²3d⁷

Ni： [Ar]4s²3d⁸

12.     按照一般的規則預期，銅Cu的電子組態應該是[Ar]4s²3d⁹，但是銅實際觀察到的電子組態是：

Cu：[Ar]4s¹3d¹⁰

銅的4s軌域半填滿，3d軌域完全填滿。

13.     鋅的電子組態如預期：

Zn：[Ar]4s²3d¹⁰

Beethoven: Piano Concerto No. 2, Mvmt. 1

14.     過渡金屬的電子組態如下表，過渡金屬之後的六個元素鎵Ga到氪Kr的電子組態是逐一填滿 4p 軌域。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Healthcareworkforce.net

徐弘毅：

1.     所有元素在化學反應中的行為都有規則，元素的價電子組態影響它們的化學性質。

2.     貝多芬第二號鋼琴協奏曲，交響樂團與鋼琴輪流彈奏相同的主題旋律，交響樂團展現元素在物質世界的行為，鋼琴展現原子一顆顆價電子的構造，就像原子的電子組態影響它們在物質世界的化學反應，阿格麗希的演奏風格也影響著交響樂團對貝多芬的詮釋。

3.     貝多芬將自己信仰的真理灌注在一個主題樂句，不停地變化，思考真理在不同人、不同時空環境下的變化規律。

4.     所有的元素其基本構造都是一樣的，電子包覆著原子核旋轉，這是基本的真理；但是隨著質子數量的改變、價電子數量、能階與軌域的改變，元素的性質也一點一點地變化，它們彼此有些相似的週期性，變化的過程有規則，也有例外。