電子排布完全解析：理解元素性質的鑰匙
為什麼鈉和鉀的化學性質如此相似？為什麼惰性氣體幾乎不參與化學反應？答案就藏在原子的電子排布中。電子排布是描述電子在原子中分布方式的重要概念，它是理解週期表規律和預測元素化學性質的關鍵。掌握電子排布，你就握住了打開化學大門的鑰匙。
原子軌道基礎
在學習電子排布之前，我們需要了解原子軌道的概念。原子軌道是電子在原子核周圍可能存在的區域，由量子數描述。主要有四種類型的軌道：
- s軌道：球形，每個能級有1個s軌道，最多容納2個電子
- p軌道：啞鈴形，每個能級有3個p軌道，最多容納6個電子
- d軌道：較複雜形狀，每個能級有5個d軌道，最多容納10個電子
- f軌道：更複雜形狀，每個能級有7個f軌道，最多容納14個電子
電子排布的三大規則
1. 構造原理（Aufbau Principle）
電子優先填入能量較低的軌道。軌道的能量順序為：
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p
注意4s軌道的能量比3d低，所以鉀（K）的電子排布是[Ar] 4s¹，而不是[Ar] 3d¹。
2. 泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）
每個軌道最多只能容納2個電子，且這兩個電子的自旋方向必須相反。這就是為什麼s軌道最多有2個電子，p軌道最多有6個電子（3個軌道 × 2個電子）。
3. 洪德規則（Hund's Rule）
當電子填入能量相同的軌道（如三個p軌道）時，電子會先單獨佔據每個軌道，且自旋方向相同。只有當所有軌道都有一個電子後，才會開始配對。
書寫電子排布的方法
完整電子排布式
例如，氧（O，原子序數8）的電子排布為：1s² 2s² 2p⁴
這表示：1s軌道有2個電子，2s軌道有2個電子，2p軌道有4個電子。
簡化電子排布式
使用惰性氣體核心簡化表示。例如，鈣（Ca，原子序數20）可以寫成：[Ar] 4s²
[Ar]代表氬的電子排布（1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶），後面只需寫出額外的電子。
電子排布與週期表的關係
週期表的結構直接反映了電子排布的規律：
- 週期（橫行）：同一週期的元素具有相同的電子殼層數
- 族（縱列）：同族元素具有相同的價電子排布
- s區元素：第1-2族，價電子在s軌道
- p區元素：第13-18族，價電子在p軌道
- d區元素：過渡金屬，電子填入d軌道
- f區元素：鑭系和錒系，電子填入f軌道
電子排布的例外情況
某些元素的電子排布與構造原理預測的不同，這是因為半滿或全滿的軌道具有額外的穩定性：
- 鉻（Cr）：預測為[Ar] 3d⁴ 4s²，實際為[Ar] 3d⁵ 4s¹（半滿d軌道更穩定）
- 銅（Cu）：預測為[Ar] 3d⁹ 4s²，實際為[Ar] 3d¹⁰ 4s¹（全滿d軌道更穩定）
價電子與化學性質
價電子是原子最外層的電子，它們決定了元素的化學性質：
- 鹼金屬（第1族）：1個價電子，容易失去形成+1離子
- 鹼土金屬（第2族）：2個價電子，形成+2離子
- 鹵素（第17族）：7個價電子，容易獲得1個電子形成-1離子
- 惰性氣體（第18族）：8個價電子（氦為2），電子層已滿，化學性質穩定
DSE考試重點
對於DSE化學考試，你需要掌握以下電子排布知識：
- 寫出前20個元素的電子排布
- 理解價電子與族的關係
- 解釋同族元素化學性質相似的原因
- 預測離子的電子排布（如Na⁺的排布與Ne相同）
- 理解八隅體規則及其在化學鍵形成中的應用
結語
電子排布是連接原子結構與化學性質的橋樑。通過理解電子如何在原子軌道中分布，我們可以解釋週期表的規律、預測元素的反應性，以及理解化學鍵的形成。這是化學學習中最基礎也最重要的概念之一，值得花時間深入理解和反覆練習。