電子組態計算機

電子組態計算機展示了任何元素或離子的電子如何在原子次殼層中排列。它可以生成完整與惰性氣體（簡化）電子組態，繪製帶有自旋箭頭的軌域框圖，追蹤遞建原理對角線填充順序，並報告未成對電子數量、該物種是順磁性還是逆磁性、其價電子數以及最後一個電子的量子數。它還能正確處理諸如鉻、銅和銀等許多計算機都會出錯的棘手 d 分區與 f 分區例外情況。

什麼是電子組態？

電子組態是一種簡寫符號，可精確告訴您原子或離子的電子佔據了哪些次殼層，以及每個次殼層中有多少個電子。它被寫成一系列次殼層（1s、2s、2p 等），每個次殼層的電子數顯示為上標。例如，氧的組態是 1s² 2s² 2p⁴，這意味著 1s 次殼層中有兩個電子，2s 中有兩個，2p 中有四個。

支配填充的三個規則

電子組態遵循三個基本原理：

• 遞建原理：在填充較高能階的次殼層之前，電子會先佔據可用能量最低的次殼層。
• 包立不相容原理：每個軌域最多容納兩個電子，且它們必須具有相反的自旋。
• 洪德定則：在一組能量相同的軌域中，電子會先以平行的自旋單獨分散佔據，然後任何軌域才會被雙重佔據。

遞建（馬德隆）順序

次殼層填充的順序由馬德隆規則決定：次殼層按 n + ℓ 值的增加而填充，當兩個次殼層具有相同的 n + ℓ 時，具有較低 n 的次殼層先填充。這就是為什麼 4s 次殼層在 3d 次殼層之前填充的原因。

完整組態與惰性氣體組態對比

完整組態列出了從 1s 開始往上的每個次殼層。惰性氣體組態是一種簡化形式，它將內核電子替換為方括號中前一個惰性氣體的符號，僅留下價電子區域的次殼層。以鐵為例：

• 完整：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²
• 惰性氣體：[Ar] 3d⁶ 4s²

離子的電子組態

要編寫離子的組態，請從中性原子開始並調整電子數量：

• 陰離子 (負離子) 獲得電子，這些電子按照正常的遞建順序添加。例如，O²⁻ 是 1s² 2s² 2p⁶，與氖相同。
• 陽離子 (正離子) 則首先從最外層失去電子——即最高主量子數 n 的電子，然後才是內層 d 電子。這就是為什麼鐵在失去其 3d 電子之前會先失去其 4s 電子的原因：Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶，而 Fe³⁺ 是 [Ar] 3d⁵。

d 分區與 f 分區的例外情況

少數元素不遵循簡單的遞建預測，因為完全填滿或恰好半填滿的 d 或 f 次殼層具有異常的穩定性。最常測試的例外情況包括：

本計算機儲存了所有已確定的基態例外情況，因此它返回的組態與實驗觀察到的數值一致。

順磁性與逆磁性

軌域框圖揭示了一個物種是否具有未成對電子。如果至少有一個未成對電子，則該物種具有順磁性，並會受到磁場的微弱吸引。如果每個電子都成對，則它具有逆磁性，並會受到微弱的排斥。鐵具有四個未成對的 3d 電子，具有強順磁性；鋅的所有電子均已成對，具有逆磁性。

如何使用本計算機

1. 輸入元素：輸入符號 (Fe)、名稱 (鐵) 或原子序 (26)。
2. 選擇電荷：保持中性，或選擇電荷以獲取離子，例如 Fe³⁺ 或 O²⁻。
3. 點擊計算：組態將立即生成。
4. 查看結果：閱讀完整和惰性氣體組態，研究軌域框圖和遞建圖表，並檢查未成對電子數、磁性和量子數。

常見問題

什麼是電子組態？

電子組態描述了原子或離子的電子如何分布在其原子次殼層中，例如 1s、2s 和 2p。它被寫成次殼層列表，其中每個次殼層中的電子數顯示為上標，例如碳是 1s² 2s² 2p²。

什麼是惰性氣體（簡化）組態？

惰性氣體或簡化組態將內核電子替換為方括號中前一個惰性氣體的符號。對於鐵，您可以寫成 [Ar] 3d⁶ 4s²，而不是寫成 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²，這樣更短並突出了價電子。

什麼是遞建原理？

遞建原理指出，電子從最低可用能階向上填充原子軌域。填充順序遵循馬德隆規則，該規則按 n + ℓ 增加的順序對次殼層進行排序，並由本計算機中使用的對角線箭頭圖表進行總結。

如何找到離子的電子組態？

對於陰離子（負離子），按照正常的遞建順序添加額外的電子。對於陽離子（正離子），首先從最外層移走電子——在內層 d 電子之前取最高的主量子數。例如，鐵在失去其 3d 電子之前會先失去其 4s 電子，因此 Fe²⁺ 是 [Ar] 3d⁶，而 Fe³⁺ 是 [Ar] 3d⁵。

為什麼鉻和銅是例外？

完全填滿或恰好半填滿的 d 次殼層特別穩定。鉻和銅各自將一個電子從 4s 次殼層移動到 3d 次殼層，以達到半填滿 (3d⁵) 或全填滿 (3d¹⁰) 的 d 次殼層，從而得到 [Ar] 3d⁵ 4s¹ 和 [Ar] 3d¹⁰ 4s¹，而不是預期的 4s² 組態。

順磁性和逆磁性是什麼意思？

具有一個或多個未成對電子的化學物質具有順磁性，會受到磁場的微弱吸引。所有電子都成對的物質具有逆磁性，會受到磁場的微弱排斥。計算機會根據軌域框圖計算未成對電子數，以對每個原子或離子進行分類。

為什麼 Fe2+ 會先失去 4s 電子，再失去 3d 電子？

鐵形成正離子時會先失去兩個 4s 電子，因為 3d 次殼層填滿後，這些 4s 電子位於最外層。中性鐵通常寫作 [Ar] 3d6 4s2，Fe2+ 則是 [Ar] 3d6。這看起來似乎與中性原子中 4s 先於 3d 填入電子的順序矛盾，但填入順序和移除順序並不總是相同。

如何判斷軌域圖中最後一個電子的自旋向上還是向下？

根據洪特定則，先在次殼層的每個軌域中各放入一個自旋平行的電子。每個軌域都有一個電子後，再根據包立不相容原理，用相反的自旋將電子配對。例如，p4 次殼層有三個軌域：先在每個軌域中放一個自旋向上的電子，再將第四個電子以自旋向下的箭頭放進其中一個軌域，與原有電子配對。圖中選哪個軌域配對都可以。

具有相同電子數的離子，電子組態一定相同嗎？

電子總數相同的粒子稱為等電子體，且通常有相同的電子組態；不過，仍應檢查粒子的電子總數和次殼層填入方式，而不要只根據名稱判斷。例如，O2- 和 Ne 都有 10 個電子，電子組態都是 1s2 2s2 2p6。電子數相同不代表質子數或化學性質也相同。

額外資源

• Electron Configuration - Wikipedia
• Aufbau Principle - Wikipedia