電子組態：構造原理次序、洪特規則同離子

殼層、次殼層同軌道容量

原子中嘅每個電子都由四個量子數描述。主量子數 n（1、2、3、…）決定殼層。角量子數 l 由 0 到 n − 1，決定次殼層：l = 0、1、2 同 3 分別標示為 s、p、d 同 f。磁量子數 mₗ 由 −l 到 +l，所以一個次殼層包含 2l + 1 個軌道。自旋量子數 mₛ 係 +½ 或者 −½。

由於每個軌道最多容納兩個電子，s 次殼層容納 2 個，p 容納 6 個，d 容納 10 個，f 容納 14 個。一個完整殼層容納 2n² 個電子：n = 1 時係 2 個，n = 2 時係 8 個，n = 3 時係 18 個。呢啲容量就係週期表各區塊闊度分別係 2、6、10 同 14 行嘅原因。

構造原理填充次序同週期表

喺基態，電子佔據可用嘅最低能量次殼層；呢個就係構造原理。喺多電子原子中，次殼層能量除咗取決於 n，亦取決於 l，因為 s 電子比 n 相近嘅 p 或 d 電子更接近原子核，受內層電子屏蔽較少。中性原子由此得出嘅次序係 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p、5s、4d、5p、6s、4f、5d、6p、7s、5f、6d、7p。

n + l 規則可以重現呢個次序：按 n + l 遞增次序填充次殼層，當兩個次殼層相同時，先填 n 較低嗰個。所以 4s（4 + 0 = 4）先於 3d（3 + 2 = 5）填充。你亦可以由週期表讀出次序。沿住一個週期移動，你會依次經過 s 區、f 區（如果有）、d 區，然後 p 區，其中 d 次殼層比週期數落後一個殼層，而 f 次殼層落後兩個。

呢個次序話俾你知，由一個元素去到下一個元素，下一個電子填入邊個次殼層。佢並不表示 4s 永遠比 3d 能量低。一旦 3d 被佔據，佢嘅能量就會跌到低過 4s，所以過渡金屬陽離子會先失去 4s 電子。

泡利不相容原理、洪特規則同軌道圖

泡利不相容原理指出，原子中冇任何兩個電子共享相同嘅四個量子數。同一個軌道中嘅兩個電子已經共享 n、l 同 mₗ，所以佢哋必須有相反嘅自旋，而且冇任何軌道可以容納第三個電子。

洪特規則適用於簡併軌道，即同一個次殼層中能量相等嘅軌道。電子會先以平行自旋單獨佔據各個軌道，然後先開始配對。配對會提高能量，因為同一個軌道中嘅兩個電子排斥更強，而分開軌道中嘅平行自旋就獲得交換穩定作用。因此氮嘅 2p³ 有三個未配對電子，而氧嘅 2p⁴ 有一對電子同兩個未配對電子。

喺軌道圖中，每個軌道畫一個方格，按構造原理次序填充次殼層，而喺一個次殼層內，要先喺每個方格放一支箭咀，再加第二支。有未配對電子嘅原子具順磁性，會被吸入磁場；所有電子都已配對嘅原子具抗磁性。

實例：硒同鋯

例 1：硒，Z = 34。按構造原理次序填充，直到放置 34 個電子：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴。檢查總數：2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34。使用惰性氣體簡寫時，將首 18 個電子替換成 [Ar]，即係上一個週期結尾嘅惰性氣體：[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴。好似此處咁按殼層編號列出次殼層係常見慣例；[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ 則按填充次序描述同一個電子組態。

硒嘅四個 4p 電子分佈喺三個軌道。按洪特規則，每個軌道放一個，第四個配對，剩低兩個未配對電子。佢嘅六個價電子 4s² 4p⁴，同第 16 族嘅氧同硫嘅外層模式相符，所以硒會形成硒離子 Se²⁻，同氪等電子。

例 2：鋯，Z = 40。喺佔咗 36 個電子嘅 [Kr] 之後，剩低四個。接落去嘅次殼層係 5s 然後 4d，得出 [Kr] 4d² 5s²，同 NIST 基態數據吻合。兩個 4d 電子佔據分開嘅軌道，自旋平行，所以鋯有兩個未配對電子。

鉻、銅，以及難以用簡單規則解釋嘅例外

構造原理次序預測鉻係 [Ar] 3d⁴ 4s²，銅係 [Ar] 3d⁹ 4s²。光譜學顯示係 [Ar] 3d⁵ 4s¹ 同 [Ar] 3d¹⁰ 4s¹。由於呢啲原子中 4s 同 3d 能量相近，將一個電子移入 3d 會降低總能量，並得益於半滿或全滿 d 次殼層嘅交換穩定作用。鉬 [Kr] 4d⁵ 5s¹ 同銀 [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ 跟隨佢哋上方元素嘅同一模式。

半滿次殼層嘅解釋並唔係通則。鈮係 [Kr] 4d⁴ 5s¹，儘管佢嘅 4d 次殼層最終既非半滿亦非全滿；鈀係 [Kr] 4d¹⁰，冇 5s 電子；而鎢，即鉬嘅正下方，係 [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s²。請由數據學習你嘅課程要求嘅例外，而唔好試圖從一條無法推廣嘅規則推導。

單原子離子嘅電子組態

對於陰離子，將電子加入下一個可用次殼層：氯 [Ne] 3s² 3p⁵ 變成 Cl⁻ [Ne] 3s² 3p⁶，同氬等電子。對於陽離子，先從 n 最高嘅次殼層移除電子，而喺該殼層內先移除 p 後移除 s。對於第一排過渡金屬，咁就會先移除 4s 電子，再移除任何 3d 電子。

例 3：鐵離子。鐵係 [Ar] 3d⁶ 4s²。Fe²⁺ 失去兩個 4s 電子，得出 [Ar] 3d⁶，而 Fe³⁺ 再失去多一個（來自 3d），得出 [Ar] 3d⁵。檢查數目：鐵有 26 個電子，Fe²⁺ 有 18 + 6 = 24 個，Fe³⁺ 有 18 + 5 = 23 個。游離 Fe³⁺ 離子有五個未配對電子，每個 3d 軌道一個。

同樣嘅邏輯適用於 p 區。錫係 [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²，Sn²⁺ 失去兩個 5p 電子變成 [Kr] 4d¹⁰ 5s²。銅(I)係 [Ar] 3d¹⁰，因為銅單獨嘅 4s 電子最先離開。

寫電子組態時嘅常見錯誤

大部分電子組態錯誤都屬於少數幾種模式，每種都可以喺你繼續之前，用一個快速檢查揪出。

當題目問未配對電子時，要為部分填充嘅次殼層畫軌道圖，而唔好憑電子組態字串判斷。當題目問離子時，先寫中性原子，再加入或移除電子。

• 先移除 3d 電子再移除 4s：Fe²⁺ 係 [Ar] 3d⁶，而唔係 [Ar] 3d⁴ 4s²。常見嘅第一排陽離子，例如 Fe²⁺、Co²⁺ 同 Cu⁺，都冇 4s 電子。
• 使用錯誤嘅惰性氣體內核：內核係上一個週期嘅惰性氣體，元素 19 至 36 用 [Ar]。
• 數錯電子：上標之和對原子必須等於 Z，對離子必須等於 Z 減電荷。
• 次殼層填充過量，例如 2p⁷ 或者 3d¹¹。
• 喺每個軌道都容納一個電子之前，就喺 p 或 d 次殼層中配對電子。
• 將 d 區放錯殼層：第 4 週期填充 3d，而唔係 4d。
• 冇對照數據就將 Cr 同 Cu 嘅模式套用於佢哋下方嘅每個元素。