為何過渡元素電子填充有不規則的情形

ℚ. 為何過渡元素電子填充有不規則的情形？

𝔸. 元素的電子結构異常情形可分為①搶半滿或全滿。②搶同步。③搶平衡。④搶簡單整數比，四种類型。

❶搶半滿或全滿 此型有以下五例：

[一] 銅和金 銅搶3d軌域的全滿故向4s軌域借用一個電子，金搶5d軌域的全滿故向6s借用一個電子。

[二] 鉻 鉻搶3d軌域的半滿故向4s軌域借用一個電子。同族的鉬不搶半滿，第一項的銀也不搶全滿，因為第二系列過渡元素5s軌域的常態電子數只有一個。

[三] 釓 釓的5d軌域有向4f軌域借用一個電子的不規則情形，可視為搶4f軌域半滿的現象。

鑭系的銩，4f有13個電子，它不搶全滿，但是銅族是左始第九排的過渡元素，它們有搶全滿的情形，因主過渡元素搶半滿或全滿是在半滿或全滿之前，而且是向鄰近殼層借用電子，借用軌域的能階差異小，鑭系元素搶半滿是在半滿以後，將多餘的電子挪至鄰近軌域，鑭系元素搶半滿或全滿若在半滿或全滿之前不可能，因為4f和6s能階差異較大，而且是隔層借用，鄰層借用不可能，因為4f和5p能階差異太大。

[四] 鎝 第二系列過渡元素5s軌域的常態分布只有一個電子，原因可能是：第四層軌域電子總數的常態值恰好是第二和第三系列過渡元素列的排序平均值，例如鈮是第5個第五列元素，鉭是第19個第六列元素，5與19的平均值12，12恰好是鈮的第四主層電子總數，依此類推….，本文僅需考慮例外的情形加以解釋。

第二系列過渡元素有四個例外，鈀的例外在②搶同步第(2)項解釋，釔和鋯的例外在②搶同步第(1)項解釋。

鎝的例外是搶半滿，屬於本節要討論的項目，鎝的价電子理論上的常態分布是4d 6 5s 1，為搶4d軌域的半滿故挪一個電子到5s軌域。

[五] 鋦 不同的年代，錒系元素的電子結构有不同的版本，若採用維基百科最新版本，錼以前的錒系元素6d軌域通常有一個電子，鈽以後的錒系元素除了鋦以外，其他的6d軌域顯示全部騰空，鋦比鄰近的錒系元素6d軌域多出一個電子，例外的解釋：鋦為了搶5f軌域的半滿所以將多餘的一個電子挪給6d軌域。

❷搶同步 搶同步情形有以下[四]例：

[一] 釔和鋯 第二系列過渡元素5s軌域常態電子數是1，釔和鋯卻是2，屬於例外情形，因此它們的第四主層電子總數分別是9和10，比常態值10和11少1，例外的原因可以解釋為：釔的原子序39和主要同位素質量數89的尾數都是9，為搶和9的同步關係所以挪一個4d電子到5s軌域。鋯的原子序40，含量最豐同位素質量數90，它們是10的倍數關係，為搶同步和10的倍數關係所以挪一個4d電子到5s軌域。

採用數字尾數的方法可視為一種十進位的价電子觀，周期表使用的是八進位的价電子觀，十進位的价電子觀在③搶平衡末段有描述。

[二] 鈀 鈀的鄰近同列元素5s軌域都有一個電子，唯獨鈀沒有電子，鈀的第四主層電子總數理論上的常態值是17，實際值是18，異常的理由：一方面要搶與第三主層電子總數18之同步關係，所以向5s軌域借用一個電子。再方面要搶它在周期表第五列元素排序10的同步關係，十的尾數是零，從十進位的价電子數觀點，鈀的价電子數是0，與它的化學惰性和0价態有符合。

[三] 釷 釷的6d軌域是兩個電子，比常態值多了一個，2(6d)+2(7s)=4，此价電子數與釷的最重要氧化態+4价有符合，因為釷的同行元素鉿和鑪分別是第六和第七列元素的第18個元素，釷的第五主層電子總數18有和它的同行元素鉿之排序同步，這樣可以解釋為何釷的第五主層電子總數常態值19會變成18，因為要搶同步18所以將多餘的一個電子移到6d軌域，因此釷的6d軌域比常態值多1。

[四] 鎢 鉻、鉬、鎢是同族元素，鉻的3d軌域有搶半滿的情形，鉬屬第二系列過渡元素，它的常態价電子4d 5 5s 1故4d軌域是半滿狀態無需搶半滿。鎢的常態价電子5d 4 6s 2按常理應該搶半滿，鎢的5d軌域沒有搶半滿可以解釋為搶同步的緣故。鎢的原子序74和最豐同位素184W尾數4，5d軌域的常態電子數4，為搶4的同步故維持常態電子結构。

❸搶平衡

[一] 鉑與金 鉑與金的鄰近同列元素6s軌域通常有二個電子，唯獨鈀與金只有一個電子，原因之解釋似乎和"搶平衡數字"有關，平衡數是以平均值來計算，一般說法，平均值是計算複數個數值接近的平均值，這裏計算的 平均值兩數之差異頗大故稱為"平衡數"。套用第二系列過渡元素第四主層電子總數常態值的計算方法(參考第①節 搶半滿或全滿 第[四]項 鎝 第一段)，鉑是超長式周期表第六列的第24個元素，是長式周期表第六列的第10個元素，24與10的平均值17，鉑的第五主層按常態配置應有16個電子，實際上卻有17個，因為要搶平均值17所以向6s軌域借用一個電子湊足17。鉑的价電子數1可能和它是催化劑的元素特性有關。

類似情形，金在超長式和長式周期表的排列分屬第六列的第25和第11個元素，25與11的平均值18，金的第五主層按常態配置應有17個電子，實際上有18個，因為要搶平均值18故向6s軌域借用一個電子湊足18。此种平衡關係並未延伸至同列的其他元素，原因可能和中子數尾數的共鳴效應有關，鉑與金的主要同位素中子數分別是117與118，117的尾數17有和鉑第五主層電子總數17同步，118的尾數18有和金第五主層電子總數18同步。

同列的鄰近元素銥，主要同位素中子數115，尾數15與其常態的第五主層電子總數15是同步的，平衡數16與同步數15無共鳴故平衡數失效。鋨主要同位素中子數114，尾數14與其第五主層電子總數常態值14同步，它的平衡數15，兩者無共鳴故平衡理論失效。錸的5d軌域若向6s借用一個電子，第五主層可以有14個電子，14個電子雖能與"平衡數字"同步卻與它的主要同位素中子數111尾數11沒有共鳴，故借用情況不成立。汞的情形與錸是類似的，總之"平衡數"與"同步數"是否共鳴是最佳解釋方案。

[二] 十進位法看价電子數

同步觀察僅考慮中子數117、118的末二位數是一種十進位的方法，假定100是魔數，特別安定，所以它的尾數就像价電子一樣變得重要，十的倍數和魔數的确有一定程度的關係，例如鎳的同行元素是長式周期表左始第十排(排是左邊起算的行) ，所以鎳的同行元素是0价，右邊依序是銅族+1价，鋅族+2价，土族+3价，碳族+4价…. ，左邊負价態的最高值依序是鈷-1价，鐵-2价，錳-3价(負价態取材自高等無機化學)。

❹搶倍數比

[一] 搶兩倍整數比 錼以前的錒系元素傾向於6d軌域有一個電子，鈽以後的錒系元素傾向於6d軌域沒有電子，等同於89~93號元素第六主層一般情況有9個電子，94號以後的錒系元素第六主層一般情況有8個電子，此一現象可以搶簡單整數比來解釋：89~93號元素因為和第三系列過渡元素的物理和化學相似性高，尤其是最高氧化態的一致性，它們的原子序和第三系列過渡元素差18，18恰好是錒系元素第六主層電子總數9的兩倍，滿足簡單整數比的原則。

[二] 搶四倍整數比

94號以後的錒系元素和103號以後的第七列元素物理性質相似，都是人造元素，人造元素以∝衰變為主，∝衰變具有2的周期性，2與94號以後的錒系元素第六主層電子總數8是1:4關係，此种簡單整數比與其物理性質的相關性是一致的。

94號以後的錒系元素化學性質和同行的鑭系元素也有相似，例如兩者都是+3价重要，而鑭系元素與它們的原子序差32，32恰好是第六主層電子總數8的四倍。

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