⚛️ Batch 2：同位素、相對原子質量與電子排列
第 1：5.5 同位素（Isotopes）
🔬 什麼是同位素？
同位素是指同一元素的原子，它們有相同的質子數，但中子數不同。因此質量數（質子數 + 中子數）也不同。
📌 同位素的本質：同一個元素的不同版本 → 化學性質相同（因為電子數相同），但物理性質略不同（因為質量不同）。
📝 同位素的符號表示
同位素的標準寫法：ᴬ_Z X，例如：
- ¹₁H（氫的同位素 protium，1 質子 0 中子）
- ²₁H（氘 deuterium，1 質子 1 中子）
- ³₁H（氚 tritium，1 質子 2 中子）
符號規則：左下 Z = 質子數，左上 A = 質量數，右下 X = 元素符號
⚗️ 同位素的化學性質 vs 物理性質
| 性質 | 同位素之間 | 原因 |
|---|
| 化學性質 | ✅ 相同 | 電子數相同，化學反應只涉及電子 |
| 物理性質 | ❌ 略不同 | 質量不同，影響熔點、沸點、密度 |
| 原子序 Z | ✅ 相同 | 質子數決定元素身份 |
| 質量數 A | ❌ 不同 | 中子數不同 |
💡 例子：
碳有三個同位素：¹²₆C（98.89%）、¹³₆C（1.11%）、¹⁴₆C（<0.01%）。它們化學性質相同，但 ¹⁴C 用於考古定年（碳 14 定年法）。
💡 記憶口訣：「同位素化學同、物理異」
第 2：5.6 相對原子質量（Relative Atomic Mass）
⚖️ 為什麼需要相對原子量？
單個原子太輕（10⁻²⁴ g 等級），無法直接秤重。化學家改用相對質量：以 碳-12 原子的質量為基準（定義為 12.00）。
相對同位素質量 = (某同位素原子質量) ÷ (¹²C 原子質量) × 12
📐 相對原子質量的定義
相對原子質量（Ar）是元素在天然樣本中各同位素的加權平均質量，計入每個同位素的相對豐度。
Ar = Σ(各同位素相對同位素質量 × 相對豐度%)
📝 例題 1（氯）：
氯有兩種同位素：³⁵Cl（豐度 75.78%）和 ³⁷Cl（豐度 24.22%）
Ar(Cl) = 35 × 0.7578 + 37 × 0.2422 =
35.5📝 例題 2（鎂）：
鎂有三種同位素：²⁴Mg（78.99%）、²⁵Mg、²⁶Mg
讀圖後計算加權平均即可得
24.3📌 重點：相對原子質量沒有單位（它是兩個質量的比值），但有時寫成「amu」或「u」表示原子質量單位。
第 3：5.7 電子殼層（Electron Shells）
🌀 電子的排列規則
電子不是亂飛的——它們排列在殼層（shells）裡，每個殼層只能裝固定數量的電子：
| 殼層 n | 名稱 | 最大電子數 | 公式 |
|---|
| n = 1 | K 殼（最內層） | 2 | 2(1)² = 2 |
| n = 2 | L 殼 | 8 | 2(2)² = 8 |
| n = 3 | M 殼 | 18 | 2(3)² = 18 |
| n = 4 | N 殼 | 32 | 2(4)² = 32 |
每殼最多 2n² 個電子（n = 殼層數）
🔧 填充規則
- 電子從最內層開始填，由內往外填滿
- 氫（H）：1 個電子 → 第一殼 1 個
- 氦（He）：2 個電子 → 第一殼 2 個（滿）
- 氯（Cl）：17 個電子 → 2, 8, 7
💡 記憶口訣：「先內後外、逐殼填滿」
第 4：5.8-5.9 電子排佈圖（Electronic Arrangements）
📊 電子排佈（Electronic Arrangement）
用逗號分隔各殼層電子數，例如 2,8,8,2 表示鈣（Ca）。
📌 重點：電子數 = 質子數 = 原子序 Z。所以只要知道元素原子序，就能寫出電子排佈。
📋 前 20 元素電子排佈速查表
| Z | 元素 | 符號 | 電子排佈 |
|---|
| 1 | Hydrogen 氫 | H | 1 |
| 2 | Helium 氦 | He | 2 |
| 3 | Lithium 鋰 | Li | 2,1 |
| 4 | Beryllium 鈹 | Be | 2,2 |
| 5 | Boron 硼 | B | 2,3 |
| 6 | Carbon 碳 | C | 2,4 |
| 7 | Nitrogen 氮 | N | 2,5 |
| 8 | Oxygen 氧 | O | 2,6 |
| 9 | Fluorine 氟 | F | 2,7 |
| 10 | Neon 氖 | Ne | 2,8 |
| 11 | Sodium 鈉 | Na | 2,8,1 |
| 12 | Magnesium 鎂 | Mg | 2,8,2 |
| 13 | Aluminium 鋁 | Al | 2,8,3 |
| 14 | Silicon 矽 | Si | 2,8,4 |
| 15 | Phosphorus 磷 | P | 2,8,5 |
| 16 | Sulphur 硫 | S | 2,8,6 |
| 17 | Chlorine 氯 | Cl | 2,8,7 |
| 18 | Argon 氬 | Ar | 2,8,8 |
| 19 | Potassium 鉀 | K | 2,8,8,1 |
| 20 | Calcium 鈣 | Ca | 2,8,8,2 |
💡 DSE 口訣：「前 2、接 8、再 8、第四殼開始複雜」 — K 殼 2、L 殼 8、M 殼 8 是前 18 元素的穩態。
⚠️ 陷阱：第四殼（n=4）開始，規則變複雜——前 18 元素第三殼只填 8（不是 18），要到 Z=21 才填到第三殼 18。
📌 本章總結
本章核心：
- 同位素：同元素，不同中子數，化學性質相同，物理性質略不同
- 相對原子質量 Ar：以 ¹²C 為基準的加權平均質量（無單位）
- 電子殼層：K=2, L=8, M=18, N=32（公式 2n²）
- 電子排佈：電子數 = 質子數 = 原子序 Z
- 前 20 元素排佈：H(1) → He(2) → Li(2,1) → ... → Ca(2,8,8,2)
✏️ 即時練習
練習 1：鎂有 3 個質子、4 個中子，寫出符號？
答：²⁴₁₂Mg（左上質量數 = 3+4，左下質子數 = 12）
練習 2：某元素電子排佈 2,8,4，是什麼元素？
答：矽 Si（總電子數 = 14 = 原子序）