入門化學線上/測量和原子結構

（進行中）

第 1 章：測量和原子結構

化學是研究物質及其不同形式相互結合的方式的學科。你學習化學是因為它可以幫助你理解周圍的世界。你觸碰、品嚐或聞到的所有東西都是化學物質，這些化學物質之間的相互作用定義了我們的宇宙。化學是生物學和醫學的基礎。從蛋白質和核酸的結構到藥物的設計、合成和製造，化學讓你洞悉事物的運作方式。本書第一章將向你介紹物質、原子及其結構。你將學習科學測量的基礎知識，並對化學的規模有一個瞭解；從最小的原子到“摩爾概念”（第 4 章）中處理的驚人數量。第一章奠定了我們理解的基礎。

1.1 為什麼學習化學？

化學是處理物質的結構、組成、性質和反應特性的科學分支。物質是任何具有質量並佔據空間的物質。因此，化學實際上是研究我們周圍的所有事物——我們飲用的液體、我們呼吸的氣體、從手機上的塑膠外殼到腳下的地球的一切的組成。此外，化學是研究物質轉化過程的學科。原油透過精煉過程轉化為汽油和煤油等更有用的石油產品。其中一些產品進一步轉化為塑膠。粗金屬礦石轉化為金屬，然後可以加工成從箔紙到汽車的各種物品。潛在的藥物從天然來源中被發現，分離出來，然後在實驗室中製備。它們的結構被系統地修飾以生產出已導致現代醫學巨大進步的藥物。化學是所有這些過程的核心，化學家是研究物質性質並學習設計、預測和控制這些化學轉化的人。在化學的各個分支中，你會發現幾個明顯的細分。無機化學，從歷史上看，關注地球中發現的礦物和金屬，而有機化學則處理最初在生物中發現的含碳化合物。生物化學是有機化學在生物學中的應用的產物，與生物體的化學基礎有關。在本課題的後面章節中，我們將更詳細地探討有機化學和生物化學，你會注意到整個課題中散佈著有機化合物的例子。如今，各個領域之間的界限已變得模糊，當代化學家需要在所有這些領域都有廣泛的背景知識。圖 1.1

在本章中，我們將討論一些物質的性質，化學家如何測量這些性質，並將介紹一些在整個化學和其他物理科學中使用的詞彙。

讓我們從物質開始。物質定義為任何具有質量的物質。在這裡區分重量和質量很重要。重量是物體受到重力作用的結果。在月球上，同一個物體的重量將小於在地球上的重量，因為月球上的重力作用較小。然而，物體的質量是該物體本身的固有屬性，無論其位置、重力作用或任何其他因素如何都不會改變。它是一個僅取決於物體中物質數量的屬性。

現代理論認為物質是由原子組成的。原子本身是由中子、質子和電子以及越來越多的其他亞原子粒子構成的。我們將重點關注中子，一種不帶電的粒子，質子，它帶正電，以及電子，它帶負電。原子非常小。為了讓你瞭解原子的大小，一枚銅質便士大約包含 28,000,000,000,000,000,000,000 個原子（即 28 六千萬億個）圖 1.2。因為原子和亞原子粒子非常小，所以它們的質量無法用磅、盎司、克或任何其他我們用於較大物體的尺度來輕易測量。相反，原子和亞原子粒子的質量是用原子質量單位（縮寫為 amu）來測量的。原子質量單位基於一個將不同型別原子的質量相互關聯的比例尺（以碳元素最常見的形式為標準）。amu 比例尺為我們提供了一種方便的方法來描述單個原子的質量，並對原子及其反應進行定量測量。在原子中，中子和質子的質量均為 1 amu；電子的質量要小得多（約 0.0005 amu）。

原子理論將中子和質子置於原子中心的原子核中。在原子中，原子核非常小，非常緻密，帶正電（來自質子）幷包含幾乎所有原子的質量。電子被放置在圍繞原子核的彌散雲中。電子雲帶淨負電荷（來自電子上的電荷），在中性原子中，這種雲中的電子數量總是與原子核中的質子數量相同（原子核中的正電荷由電子的負電荷平衡，使原子呈中性）。

一個原子由它所擁有的中子、質子和電子的數量來表徵。今天，我們認識到至少有 116 種不同型別的原子，每種型別在原子核中都有不同數量的質子。這些不同型別的原子被稱為元素。中性的氫元素（最輕的元素）的原子核中始終只有一個質子，電子雲中只有一個電子。氦元素的原子核中始終有兩個質子。正是原子核中質子的數量決定了元素的標識。然而，元素的原子核中可能具有不同數量的中子。例如，穩定的氦原子核存在一個或兩個中子（但它們都有兩個質子）。這些不同型別的氦原子具有不同的質量（3 或 4 amu），它們被稱為同位素。對於任何給定的同位素，原子核中質子數和中子數的總和稱為質量數。所有元素都以同位素集合的形式存在，我們在化學中使用的元素的質量，原子質量，是這些同位素質量的平均值。對於氦，大約有一百萬個氦-4 同位素中有一個氦-3 同位素，因此平均原子質量非常接近 4（4.002602）。

隨著不同元素被發現並命名，它們的名稱縮寫也被開發出來，以便進行方便的化學速記。元素的縮寫稱為其化學符號。化學符號由一個或兩個字母組成，符號與元素名稱之間的關係通常很明顯。因此，氦的化學符號為 He，氮為 N，鋰為 Li。有時符號不太明顯，但可以理解；鎂為 Mg，鍶為 Sr，錳為 Mn。然而，自古以來就已知的元素的符號通常基於拉丁語或希臘語名稱，從它們的現代英語名稱來看似乎有些晦澀。例如，銅為 Cu（來自 cuprum），銀為 Ag（來自 argentum），金為 Au（來自 aurum），鐵為 (Fe 來自 ferrum)。在學習化學的過程中，你會經常使用化學符號，因此你應該開始學習常見元素的名稱和化學符號。當你完成普通化學課程時，你會發現你已經熟練地掌握了幾乎所有 116 種已知元素的命名和識別。表 1.1 包含一個你應該從現在開始學習的常見元素的入門列表！

**表 1.1 常見元素的名稱和化學符號**
元素	化學符號	元素	化學符號
氫	H	磷	P
氦	He	硫	S
鋰	Li	氯	Cl
鈹	Be	氬	Ar
硼	B	鉀	K
碳	C	鈣	Ca
氮	N	鐵	Fe
氧	O	銅	Cu
氟	F	鋅	Zn
氖	Ne	溴	Br
鈉	Na	銀	Ag
鎂	Mg	碘	I
鋁	Al	金	Au
矽	Si	鉛	Pb

元素的化學符號通常與有關該原子特定同位素中質子和中子數量的資訊相結合，以給出原子符號。要寫出原子符號，您首先寫出化學符號，然後寫出元素的原子序數（原子核中的質子數）作為下標，位於化學符號的前面。在它的正上方，作為上標，寫出同位素的質量數，即原子核中質子和中子的總數。因此，對於氦，原子序數為 2，並且最常見同位素的原子核中存在兩個中子（參見圖 1.3），原子符號為 ${}_{2}^{4}{\text{He}}$ 。在原子質量單位的定義中，“碳的最常見同位素”， ${}_{6}^{12}{\text{C}}$ ，定義為質量正好為 12 amu，其餘元素的原子質量是基於它們相對於該同位素的質量。氯（化學符號 Cl）包含兩種主要的同位素，一種是 18 箇中子（最常見，佔自然氯原子 75.77%），另一種是 20 箇中子（剩下的 24.23%）。氯的原子序數為 17（它的原子核中有 17 個質子），因此兩種同位素的化學符號為 ${}_{17}^{35}{\text{Cl}}$ 和 ${}_{17}^{37}{\text{Cl}}$ 。圖 1.5a

當有關於元素各種同位素的自然丰度的資料時，計算平均原子質量就變得很簡單了。在上面的例子中， ${}_{17}^{35}{\text{Cl}}$ 是最常見的同位素，丰度為 75.77%，而 ${}_{17}^{37}{\text{Cl}}$ 的丰度為剩下的 24.23%。要計算平均質量，首先將百分比轉換為分數；也就是說，簡單地將它們除以 100。現在，氯-35 代表自然氯的一個分數，為 0.7577，質量為 35（質量數）。將它們相乘，我們得到 (0.7577 × 35) = 26.51。我們需要將代表氯-37 的分數新增到這個數字中，或者 (0.2423 × 37) = 8.965；加起來，(26.51 + 8.965) = 35.48，這是氯的加權平均原子質量。每當我們進行涉及元素或化合物（元素的組合）的質量計算時，我們總是需要使用平均原子質量。

1.2 元素的組織：元素週期表

元素原子核中的質子數稱為該元素的原子序數。化學家通常按照原子序數遞增的順序將元素排列在一個特殊的排列中，稱為元素週期表 (圖 1.4).

正如您從圖 1.4 中看到的那樣，元素週期表不僅僅是按數字排列的元素網格。在元素週期表中，元素按水平行排列，稱為週期（用藍色數字標註），並按垂直列排列，稱為族。這些族用兩種略有衝突的方案進行編號。在最簡單的表示中，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）偏愛簡單地將族從 1 到 18 編號。然而，世界大部分地區的慣例是將前兩個族編號為 1A 和 2A，最後六個族編號為 3A-8A；中間十個族然後編號為 1B-8B（但不是按該順序！）。雖然 IUPAC 編號看起來簡單得多，但在本文中，我們將使用當前的美國命名法 (1A-8A)。選擇這種方法的原因將在第 3 章中變得更加清楚，屆時我們將更詳細地討論“化合價”和電子構型。元素週期表的實際佈局是基於元素根據化學性質進行分組。例如，元素週期表中每個族（每列）中的元素都將共享許多相同的化學性質。當我們討論元素的性質以及它們與其他元素結合的方式時，元素週期表這種特殊排列的原因將變得更加明顯。

正如您從圖 1.5 中看到的那樣，元素週期表中的每個元素都用一個框表示，框中包含化學符號、原子序數（原子核中的質子數）和元素的原子質量。請記住，原子質量是特定元素所有天然同位素質量的加權平均值。

元素週期表通常會被著色或陰影處理，以區分具有相似性質或化學反應性的元素組。最廣泛的分類是金屬、類金屬（或半金屬）和非金屬。1A-8A 族中的元素被稱為主族元素，而 3-15 族中的元素被稱為過渡金屬。在圖 1.6 中，金屬元素用紫色顯示。金屬是固體（汞除外），可以導電，通常是延展性的（可以軋成薄片），並且是可延展的（可以拉成絲）。金屬通常被分為主族金屬（1A-5A 族中用紫色著色的元素）和過渡金屬（3-15 族）。非金屬（圖中黃色）不導電（石墨形式的碳除外），並且具有多種物理狀態（有些是固體，有些是液體，有些是氣體）。非金屬的兩個重要亞類是鹵素（7A 族）和惰性氣體（或稀有氣體；8A 族）。在金屬和非金屬的邊界上是硼、矽、鍺、砈、銻和碲元素。這些元素共享金屬和非金屬的物理性質，被稱為類金屬或半金屬。常見的半導體矽和鍺屬於這一類，正是它們獨特的電學性質使得電晶體和其他固態器件成為可能。在本書的後面，我們將看到元素在元素週期表中的位置也與其化學反應性相關聯。

1.3 科學記數法

在第 1.1 節中，我們指出一個銅質便士大約包含 28,000,000,000,000,000,000,000 個原子。這是一個巨大的數字。如果我們要測量一個氫原子的直徑，它大約是 0.00000000000026 英寸。這是一個非常小的數字。化學家在計算中經常使用非常大或非常小的數字。為了使我們能夠有效地使用這些範圍的數字，化學家通常會使用指數或科學記數法來表示數字。在科學記數法中，一個數字 n 被表示為該數字與 10 的乘積，該數字的乘積被提高到某個指數 x；即，(n × 10^x)。數字 10² 等於 100。如果我們乘以 2 × 10²，則相當於乘以 2 × 100，即 200。因此 200 可以用科學記數法寫成 2 × 10²。當我們將數字轉換為科學記數法時，我們首先寫下數字中的第一個（非零）數字。如果該數字包含多個數字，我們將寫一個小數點，後跟所有其餘數字。接下來，我們檢查該數字以檢視此小數必須乘以 10 的多少次方才能得到原始數字。操作上，您所做的就是移動小數點。取一個便士中的原子數，即 28,000,000,000,000,000,000,000。我們將從寫 2.8 開始。為了獲得我們需要的 10 的冪，我們從數字中的最後一個數字開始，並計算我們必須向左移動以到達新的小數點的位數。在這個例子中，我們必須向左移動 22 位。因此，該數字是 2.8 和 10²² 的乘積，該數字以科學記數法寫成 2.8 × 10²²。

讓我們看看一個非常小的數字；例如，0.00000000000026 英寸，即氫原子的直徑。我們要將小數點放在 2 和 6 之間。要做到這一點，我們必須將數字中的小數點向右移動 13 位。當您將數字轉換為科學記數法並將小數點向右移動時，10 的冪必須具有負指數。因此，我們的數字將寫成 2.6 × 10¹³ 英寸。表 1.2 中顯示了一系列以十進位制格式和科學記數法表示的數字。圖 1.7 顯示了來自原子力顯微鏡的非凡影像，其中在氯化鈉晶體上可視化了鈉和氯的單個原子。在這幅影像中，單個原子的尺寸約為 2.6 x 10^-13 米。

**表 1.2 十進位制格式和科學記數法中的數字示例**
十進位制格式	科學記數法
274	2.74 × 10²
0.0035	3.5 × 10^–3
60221415	6.0221415 × 10⁷
0.125	1.25 × 10^–1
402.5	4.025 × 10²
0.0002001	2.001 × 10^–4
10,000	1 × 10⁴

練習 1.1 十進位制格式和科學記數法之間的轉換

Convert the following numbers into scientific notation:

  a.  93,000,000
  b.  708,010
  c.  0.000248
  d.  800.0

Convert the following numbers from scientific notation into decimal format:
  a.  6.02 × 10⁴
  b.  6.00 × 10^-4
  c.  4.68 × 10^-2
  d.  9.3 × 10⁷

1.4 SI 單位和公制單位

在科學領域，我們使用由國際單位制定義的重量和計量系統，通常稱為 SI 單位。SI 系統的核心是定義為絕對值，不參考任何其他單位的簡短的基本單位列表。我們將在本文中（以及以後在普通化學中）使用的基本單位包括：米 (m) 用於距離，千克 (kg) 用於質量，秒 (s) 用於時間。物質的體積是一個基於米得出的單位，立方米 (m³) 被定義為邊長正好為 1 米的立方體的體積。

由於化學中發生的大多數實驗室工作都處於相對較小的規模，因此千克的質量（約 2.2 磅）太大而不方便，因此通常使用克，其中克 (g) 被定義為 1/1000 千克。同樣，1 立方米的體積對於實驗室來說太大，因此常用立方厘米來描述體積。立方厘米是一個邊長為 1/100 米的立方體，如圖圖 1.9 所示；一個茶匙約含 5 立方厘米。對於液體和氣體，化學家通常使用升來描述體積，其中升 (L) 被定義為 1000 立方厘米。

SI 基本單位通常用單位本身的縮寫來表示，前面加上一個公制字首，其中公制字首表示基本單位乘以的 10 的冪。常見的公制字首集如表 1.3 所示。

**表 1.3 常見的公制字首**
因子	名稱	符號
10^-12	皮	p
10^-9	納	n
10^-6	微	µ
10^-3	毫	m
10^-2	釐	c
10^-1	分	d
1		無
10³	千	k
10⁶	兆	M
10⁹	吉	G

使用此表作為參考，我們看到公制符號“c”表示因子 10^-2；因此寫“cm”等效於寫 (10^–2 × m)。同樣，我們可以將 1/1000 米描述為 mm，其中公制符號“m”表示因子 10^-3。表 1.3 中顯示的公制字首集及其符號在化學中被廣泛使用，重要的是要記住它們，並熟練地將字首（及其符號）與相應的 10 因子相關聯。

1.5 公制系統內的單位轉換

由於化學家經常處理非常小（如原子的大小）和非常大（如原子數量）的測量，因此經常需要在公制單位之間進行轉換。例如，用克測量的質量，如果用 mg（10^–3 × g）表示，可能更容易處理。在公制單位之間進行轉換是單位分析（也稱為量綱分析）的練習。單位分析是一種比例推理的形式，其中給定測量值可以乘以已知的比例或比率，以得到具有不同單位或量綱的結果。例如，如果您有一個質量為 0.0034 克的物質樣本，並且您希望以 mg 表示該質量，則可以使用以下單位分析

此示例中的給定量是 0.0034 克的質量。您想要找到的量是 mg 中的質量，已知的比例或比率由公制字首的定義給出，即 1 mg 等於 10^-3 克。將其表示為比例或比率，您可以說每 10^-3 克有 1 mg，或者

看看這個表示式，分子 1 mg 等效於說 1 × 10^–3 g，它與分母中的值相同。因此，該比率的數值為 1（任何東西除以它本身都為 1，根據定義）。代數上，我們知道我們可以將任何數字乘以 1，並且該數字將保持不變。但是，如果該數字有單位，並且我們將其乘以包含單位的比率，則數字中的單位將乘以和除以比率的單位，得到原始數字（記住您正在乘以 1），但具有不同的單位。在本例中，如果我們將給定值乘以已知比率，“g”（給定值的單位）將在分母中抵消，“mg”（要查詢的單位）將在分子中抵消。因此，原始的克數已轉換為毫克，即您想要找到的單位。

我們用來解決此問題的方法可以概括為：給定 × 已知比率 = 查詢。給定是一個數值（帶有其單位），已知比率基於公制字首，並被設定成使得比率的分母中的單位與給定值的單位匹配，而分子中的單位與要查詢的單位匹配。當它們相乘時，來自給定值的數字現在將具有要查詢的單位。在示例中使用的比率中，“g”（給定值的單位）出現在分母中，“mg”（要查詢的單位）出現在分子中。

作為已知比率的單位必須反轉的情況的示例，如果您想將 1.3 × 10⁷ µg 轉換為克，則給定值為 1.3 × 10⁷ µg，要查詢的值為克，已知比率將基於 µg 的定義，即每 10^-6 克有 1 µg。此比率必須在解決方案中以 µg（給定值的單位）在分母中，g（要查詢的單位）在分子中來表示。該問題被設定為

請注意，我們不應該使用“每 10^-6 克 1 微克”，而應該反轉已知比率並將其表示為“每 1 微克 10^-6 克”，以便給定單位（微克）可以抵消。我們可以進行這種反轉，因為比率的數值仍然為 1。像這樣的簡單比率也可以用來將英制單位轉換為公制單位。英寸與米之間的比率為 $\left({}^{{\text{0}}{\text{.0254 m}}}\!\!\diagup \!\!{}_{\text{1 inch}}\;\right)$ 。因此，我們可以將圖 1.8中原子之間的距離表示為

示例 1.1 簡單公制單位換算

將以下公制測量值轉換為指定單位

a. 9.3 × 10^-4 克轉換為納克
b. 278 克轉換為毫克

示例 1.1 解答

練習 1.2 簡單公制單位換算 將以下公制測量值轉換為指定單位

a. 2,057 克 - 轉換為千克
b. 1.25 × 10^-7 米 - 轉換為微米
c. 6.58 × 10⁴ 米 - 轉換為千米
d. 2.78 × 10^-1 克 - 轉換為毫克

在迄今為止的示例中，我們能夠根據適當的公制字首的定義來寫出一個已知比率。但是，如果我們想將一個以毫克表示的數字轉換為以納克表示的數字，該怎麼辦？在這種情況下，我們需要依次使用兩個已知比率；第一個比率的分母為給定單位（毫克），第二個比率的分子為要查詢的單位（納克）。例如，如果給出 0.00602 毫克，要求找到納克，我們可以根據每毫克克數建立一個比率。如果我們在這一點上解決了這個問題，我們將得到一個單位為克的結果。為了得到以納克為單位的最終答案，我們需要將這個中間結果（新的給定值）乘以一個基於每克納克數的比率。完整的設定如下所示

在前面兩項中，“毫克”單位被抵消，在後面兩項中，“克”單位被抵消，只留下“納克”，即要查詢的單位。在做這類問題時，一個讓人放心的樂趣是，如果你設定了你的問題，單位被抵消，只留下要查詢的單位，你就知道你已經正確地設定了問題！你所要做的就是進行順序計算，你就會知道你的答案是正確的！

練習 1.3 順序公制單位換算 將以下公制測量值轉換為指定單位

a. 2,057 毫克 - 轉換為千克
b. 1.25 × 10^-7 千米 - 轉換為微米
c. 9.3 × 10^-4 皮克 - 轉換為納克
d. 6.5 × 10⁴ 毫米 - 轉換為千米

1.6 有效數字

科學實驗室中的實驗工作通常涉及測量。每當我們進行測量時，我們總是力求使我們的值儘可能準確。例如，圖 1.9 中的尺子可以用來測量兩個紅色箭頭之間的距離。

距離大於 50 毫米，這是第二個箭頭之前顯示的最後一個數字。如果我們仔細觀察，我們會發現第二個箭頭大約在 50 毫米標記後的第四個和第五個刻度之間。因此，測量值大於 54 毫米，小於 55 毫米，約為 54.5 毫米。我們測量中的最後一個數字是估計的，但前兩位數字是精確的。在任何類似的測量中，你報告的最後一個數字總是估計的數字。如果我們說測量值為 54 毫米，那就錯了，因為我們知道它更大。如果我們說測量值為 54.5567 毫米，那就沒有意義了，因為我們的刻度沒有顯示這種精度。在科學測量中，估計的數字稱為最小有效數字，而所有精確數字加估計數字的總數稱為測量中的有效數字位數。因此，圖中的測量值 54.5 有三位有效數字（3 SF）。透過遵守這條規則，我們可以檢視任何測量值，並立即知道所進行測量的精度。為了正確解釋測量中的有效數字位數，我們必須知道如何解釋包含零的測量值。例如，一個物體被發現質量為 602 毫克。最後一個數字（2）是估計的，前兩位數字是精確的。因此，測量值精確到三位有效數字。我們也可以使用公制轉換比率 $\left({}^{\text{1 g}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{10}}^{\text{3}}{\text{ mg}}}\;\right)$ 將測量值表示為 0.00602 克。現在，我們的數字中多了三位數字（稱為前導零），但我們的數字更準確了嗎？不；在測量中，前導零（出現在數字之前的零）永遠不是有效數字。

讓我們考慮另一個測量值；我們被告知一個距離是 1700 米。首先要注意的是，這個數字沒有小數點。這告訴我們，這個數字中的估計數字是 7，這個數字只有兩位有效數字。此測量值中的最後兩個零稱為尾隨零；在沒有小數點的數字中，尾隨零永遠不是有效數字。但是，如果距離被報告為 1700.00 米，則小數點的存在將意味著最後一個零是估計的數字（零也可以被估計），這個數字將有六位有效數字。作為規則，在一個包含小數點的數字中，尾隨零始終是有效數字。這些解釋測量中零的簡單規則收集在表 1.4 中。

將這些規則應用於一些示例

117.880 米包含六位有效數字；該數字有小數點，因此尾隨零是有效數字。
0.002240 克包含四位有效數字；該數字有小數點，因此尾隨零是有效數字，但前導零不是。
1,000,100 包含五位有效數字；該數字沒有小數點，因此尾隨零不是有效數字。然而，第一個和第五個數字之間的零是有效數字。
6.022 × 10²³ 包含四位有效數字。在科學計數法中，測量值中的所有有效數字都顯示在指數之前。（記住這一點，當你將測量值轉換為科學計數法時。）

練習 1.4 測量中的有效數字 確定以下每個數字中的有效數字位數

a. 2,057,000
b. 1.250600
c. 9.300 × 10^-4
d. 6.05 × 10⁴

1.7 原子理論和電子構型

正如我們在 1.1 節中所學，現代原子理論將質子和中子置於原子的原子核中，而電子則被置於圍繞這個原子核的彌散雲中。然而，隨著化學家和物理學家開始研究原子的結構，他們發現原子中所有的電子並不等效。電子並沒有隨機地被放置在一個巨大的“雲”中，而是似乎被排列在不同的能級上，並且需要能量來將電子從較低的能級移動到較高的能級。在 19 世紀早期，人們發展了一種原子結構的數學模型，將這些能級定義為量子能級，如今這種描述通常被稱為量子力學。

根據原子的量子模型，已知元素的電子可以存在於七個不同的量子能級，用主量子數 *n* 表示，其中 *n* 的值為 1 到 7。隨著量子數的增加，具有該量子數的電子的平均能量也會增加。圖 1.5 中所示的元素週期表中的七行中的每一行都對應於一個不同的量子數。第一行 (*n* = 1) 只能容納兩個電子。因此，元素週期表第一行中的元素最多隻能擁有兩個電子（氫有一個，氦有兩個）。第二行 (*n* = 2) 能夠容納八個電子，元素週期表第二行中的元素在第一層（它已滿）將有兩個電子，而在第二層將有最多八個電子。

量子理論還告訴我們，給定能級中的電子並不都是等效的。在給定能級內，電子存在於亞能級（或亞層）中。任何給定能級的亞能級由字母 s、p、d 和 f 表示，亞能級的總數也由量子數 *n* 給出。s 亞能級可以容納兩個電子，p 能容納六個，d 能容納十個，f 能容納 14 個。元素週期表第一行中的元素 (*n* = 1) 的電子只存在於 1s 亞能級中（*n* = 1，因此只能有一個亞能級）。氫中的單個電子將被標識為 1s1，氦中的兩個電子將被標識為 1s²。氟位於元素週期表的第二行（n = 2），原子序數為 9，因此有九個電子。氟中的電子排列如下：兩個在第一層 (1s²)，兩個在 2s 亞層 (2s²) 和五個在 2p 亞層 (2p⁵)。如果我們要寫出氟的電子構型，我們將寫成 1s² 2s² 2p⁵。原子中每個亞能級也與一個軌道相關聯，其中軌道只是一個電子可能被發現的空間區域。圖 1.10 顯示了 s、p 和 d 軌道的計算形狀；七個 f 軌道的形狀更為複雜。

1.8 用電子填充軌道

如上所述，一個 s 亞能級可以容納兩個電子，p 能容納六個，d 亞能級可以容納十個，f 能容納 14 個。雖然 s 亞能級中有兩個電子，但這些電子並不相同；它們在被稱為自旋的量子屬性上有所不同。為了簡單地說明這一點，亞層中的電子通常用指向向上或向下的箭頭表示，圖形化地表示相反的自旋軸（↑ 和 ↓）。根據洪特規則，電子被新增到亞能級中，該規則指出，在任何一個軌道被雙重佔據之前，亞層中的每個軌道都將被單個電子佔據，並且所有單重佔據軌道的電子具有相同的自旋。當一個亞層被雙重佔據時，電子具有相反的自旋。例如，碳具有一個充滿的 1s 亞層，一個充滿的 2s 亞層和兩個在 2p 亞層中的電子 (2p²)。因此，我們可以將碳中的電子表示為

氟的電子構型是 1s² 2s² 2p⁵，因此我們可以將氟中的電子表示為

這種順序一直很好地延續到第三週期；事實證明，3d 軌道的能量略高於 4s 軌道，因此 4s 先被兩個電子填充，然後接下來的 10 個電子被放置在 3d 軌道中。這是元素週期表中的一種普遍趨勢，並且填充順序可以透過圖 1.11 中所示的方案輕鬆預測。在這個方案中，你只需沿著對角線上的箭頭走就可以確定要填充的下一個軌道。

在寫電子構型時經常使用的一種捷徑是，將“核心”電子簡單地顯示為前一週期中的惰性氣體。例如，氟位於第二週期（n = 2）。這意味著與第一週期相關的軌道已經填滿了，就像它們在惰性氣體氦 (He) 中一樣。因此，我們可以用“氦核心”代替上面寫出的氟的構型，或

鈣位於第四周期，屬於 2A 族。這意味著前三個量子能級已填滿（*n* = 1、2 和 3），就像它們在氬中一樣。因此，鈣的電子構型可以寫成

請注意，在這個例子中，3d 軌道被顯示為下一個接收電子的軌道。在圖 1.12 中，在 4s 亞層填滿後，接下來是 3d，然後是 4p，等等。

練習 1.5 電子構型

a. 寫出鈹和碳的完整電子構型。
b. 確定與以下電子構型相對應的元素

1s² 2s¹ 和 1s² 2s² 2p⁶。

學習要點

物質被定義為任何具有質量的物質。物質是由原子組成的，原子主要由中子、質子和電子構成。中子不帶電，質子帶正電，電子帶負電。
原子和亞原子粒子的質量使用原子質量單位（縮寫為 amu）測量；質子和中子的質量為 1 amu，電子的質量可以忽略不計。
中子和質子位於原子中心的原子核中。原子幾乎所有的質量都集中在原子核中。電子被置於圍繞原子核的彌散雲中。
電子雲帶淨負電荷，在中性原子中，電子雲中的電子數量總是與原子核中的質子數量相同。
原子的身份由其原子核中質子的數量決定；每種獨特的原子型別稱為元素。具有相同數量的質子但其原子核中中子數量不同的元素稱為同位素。元素的原子質量是這些同位素中每個同位素的質量的加權平均值。
每個元素都使用其化學符號來表示，化學符號是其名稱的縮寫（許多符號基於拉丁語或希臘語名稱）。
元素的原子符號由化學符號組成，化學符號前面是元素的原子序數作為下標，緊接在其上方是表示元素特定同位素的質量數的上標。
元素的平均原子質量可以計算為自然丰度中每個同位素的比例與該同位素的質量數的乘積之和；或者，平均原子質量 = f₁M₁ + f₂M₂ + f₃M₃ …
原子核中質子的數量稱為該元素的原子序數。元素通常按照元素週期表中原子序數的遞增順序排列。在元素週期表中，橫行稱為週期，縱列稱為族。
在科學領域，通常使用科學記數法（指數記數法）來表示非常大或非常小的數字，其中數字 *n* 表示該數字與 10 的乘積，10 的冪為 x；即 (n × 10^x)。
在 SI（或公制）系統中，距離的單位是米（m），質量使用千克（kg），時間使用秒（s）。物質的體積是基於米的匯出單位，立方米（m³）定義為邊長正好為 1 米的立方體的體積。通常，在實驗室中，質量用克（g）（¹/₁₀₀₀ 千克）表示，立方厘米（cc）用於描述體積。立方厘米是一個邊長為 ¹/₁₀₀ 米的立方體。對於液體和氣體，體積通常用升來描述，其中升（L）定義為 1000 立方厘米。
SI 基本單位通常用單位本身的縮寫表示，前面加上一個公制字首，其中公制字首表示基本單位乘以的 10 的冪。
在度量單位之間進行轉換時，一個簡單的演算法是將給定的測量值乘以一個已知的比例或比率，得到一個具有你想要查詢的度量單位或維度的結果。
在科學測量中，報告的最後一個數字是估計的，這個數字被稱為最小有效數字；這個數字加上所有精確數字的總數，再加上估計的數字，被稱為測量中的有效數字位數。在識別測量中的有效數字位數時，所有前導零都被排除在外。被非零數字包圍的零被包含在內，並且，對於帶有小數點的數字，尾隨零也被包含在內。如果一個數字沒有小數點，則尾隨零不包括在內。用科學記數法表示的數字包含n中的所有有效數字；（n × 10^x）。
根據原子的量子模型，電子存在於七個不同的量子能級，用主量子數 n 表示，其中 n 的值為一到七，對應於週期表中的七行。第一行 (n = 1) 可以容納兩個電子；第二行 (n = 2) 可以容納八個電子；第三行 (n = 3) 可以容納十八個電子，最多可以容納 2n² 個電子（對於已知的元素）。
量子理論還告訴我們，給定能級中的電子存在於亞能級（或亞殼層）中。任何給定能級的亞能級由字母 s、p、d 和 f 以及能級的量子數標識，寫成 1s² 2s² 2p⁵ 等。每個亞能級也與一個軌道相關聯，軌道只是電子可能存在的一個空間區域。
在向亞能級新增電子時，洪特規則指出，在一個亞殼層中，每個軌道在任何一個軌道被雙重佔據之前，都只被一個電子單重佔據，並且所有單重佔據軌道中的電子具有相同的自旋（用“向上和向下”箭頭表示）。電子按照亞能級能量增加的順序新增，並不一定按照數字順序新增。