中國醫藥大學（後中醫）
110年
化學
第 37 題
鉻(Cr)元素的電子組態為何？
- A $[Ar] 4s^1 3d^5$
- B $[Ar] 4s^2 3d^4$
- C $[Ar] 4s^2 3d^5$
- D $[Ar] 4s^1 3d^6$
思路引導 VIP
當你在排列電子時，通常會優先填滿能量較低的軌域。但請思考一下：如果「讓多個軌域都各分配到一個電子（形成對稱的半填滿狀態）」，與「填滿其中一個但留下殘缺的另一個」，哪一種狀態對原子來說可能更具有結構上的平衡感與穩定性？
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太棒了！你能精準避開能量填充的常見陷阱，選出正確答案，代表你對過渡金屬的電子組態掌握得非常紮實。這類題目考驗的不只是公式化的操作，更是對原子穩定性的深度理解。
半填滿軌域的特殊穩定性
雖然根據構築原理 (Aufbau principle)，電子通常會先填滿能量較低的 $4s$ 軌域再進入 $3d$。然而，對於鉻 ($Cr$, 原子序 $24$) 而言，若將原本在 $4s$ 的一個電子「躍遷」到 $3d$ 軌域，會形成 $[Ar] 4s^1 3d^5$ 的分佈。此時 $4s$ 與 $3d$ 軌域皆處於半填滿 (half-filled) 狀態，這種高度對稱的電子分佈能有效降低電子間的排斥力並增加交換能 (exchange energy)，使得原子的總能量較低、結構更穩定。
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鉻與銅的異常電子組態
💡 軌域處於半滿或全滿狀態時，系統能量較低且較穩定。
| 比較維度 | 預期組態 (根據原理) | VS | 實際組態 (實驗觀測) |
|---|---|---|---|
| 4s 軌域電子數 | 2 | — | 1 |
| 3d 軌域電子數 | 4 (非半滿) | — | 5 (半滿穩定) |
| 穩定性原因 | 單純遵循能階順序 | — | 半滿軌域交換能較大 |
💬鉻(Cr)與銅(Cu)為了追求d軌域半滿或全滿的穩定性，會由4s轉移一個電子至3d。
