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        原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系

        2018-05-09 06:04:04楊若軒
        數(shù)理化解題研究 2018年4期
        關(guān)鍵詞:電負性原子結(jié)構(gòu)電荷

        楊若軒

        (河北省保定市第一中學(xué) 071000)

        一、影響元素性質(zhì)的因素

        對元素性質(zhì)進行考究過程中,發(fā)現(xiàn)電子親和勢、電離勢、原子半徑等均同原子結(jié)構(gòu)存在聯(lián)系,也同原子中價電子能量直接相關(guān).因而通過研究影響階電子能量的因素去總結(jié)影響元素性質(zhì)的因素.

        原子中的各個電子能量依據(jù)原子結(jié)構(gòu)中心勢場模型通常由式(1)表示:

        (1)

        式(1)中有效主量子數(shù)是n*,原子核對某電子的有效核電荷是Z*,電子能量是E.所以干擾元素性質(zhì)的關(guān)鍵就是有效主量子數(shù)、有效核電荷.

        1.有效核電荷(Z*)

        有效核電荷定義由式(2)表示:

        Z*=Z-S

        (2)

        式中Z為核電荷,S為屏蔽常數(shù).

        借助不同方式能夠運算出有效核電荷,包括:克里門蒂—雷蒙迪法、斯萊脫法和斯萊脫—徐光憲法,后者以斯萊脫法為前提,由國內(nèi)量子化學(xué)家所提出.

        二、元素的一些性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

        1.原子半徑

        針對多電子原子而言,同核的間距最遠的是第一價電子,而這一距離的大小決定著原子半徑.因為電子能量同電子與核的間距有一定聯(lián)系,所以第一價電子主量子數(shù)、有效核電荷都間接決定著化學(xué)元素的原子半徑大小.原子半徑同Z*反相關(guān),但是卻同n*呈正相關(guān)的關(guān)系.

        對于周期系元素原子半徑的變化規(guī)律總結(jié)為:

        (1)若原子為同周期元素,則其半徑具有自左至右不斷減小的特點.因為對同周期元素而言,第一價電子有效主量子數(shù)固定,Z*的不斷增大才最終導(dǎo)致該收縮反應(yīng).同Z*遞變幅度一致,收縮幅度最小和大的區(qū)域分別為f區(qū)、s區(qū).

        (2)基于同周期遞度下,因為在Z*差值方面,第六周期La和Hf之差同其余鄰近d區(qū)元素相比明顯要大,所以二者的半徑差值為0.25A,比d區(qū)各鄰近兩元素半徑的差值都大.

        (3)在s區(qū)和p區(qū)內(nèi),同族元素原子半徑由上自下不斷增大,表示出Z*因素遞變具有的影響力要比n*因素要小.例如在IA族中,對應(yīng)第一價電子的n*、Z*和電子能量(結(jié)合上述公式)的分布狀況見表1.

        表1

        自H至Fr,第一價電子的能量逐漸增大,這是由于此自上至下原子半徑不斷增大,且同Z*因素相比,n*因素的遞變產(chǎn)生著主要的影響.

        (4)對于d區(qū)的原子半徑,s、p區(qū)同ⅢB族存在明顯的差異.其它族的變化狀況為rⅢ>rⅡ>rⅠ,其中元素所屬過渡系用羅馬數(shù)字表示.

        (5)在原子序不斷增大的過程中,原子半徑具有周期性的特點,這同Z*的周期性由很大的關(guān)系,詳見圖1.

        2.電子親和勢

        原子借助殘余核電荷能夠?qū)﹄娮舆M行俘獲,能夠表示為原子對外來電子的有效核電荷.俘獲的電子能量同原子對外來電子的有效核電荷呈反相關(guān)的關(guān)系,后者越大,前者越低,對應(yīng)的電子親和勢越大.第一價電子的Z*、原子核對外來電子的Z*二者相平行,所以I1、電子親和勢的變化特點一致.

        3.電負性

        如果分子內(nèi)原子視作中性原子,那各元素原子對分子內(nèi)鍵電子能力的吸引量度即為電負性.俘獲鍵電子的能量決定著電負性大小,二者呈反相關(guān)的關(guān)系,所以核對鍵電子Z*、俘獲電子n影響著電負性.

        在電負性變化特點及所致緣由方面,周期系元素同電離勢相似但不重復(fù).借助原子序曲線對電負性進行描繪,方便開展對比分析(如圖2所示).

        作為現(xiàn)代化學(xué)的關(guān)鍵構(gòu)成,原子結(jié)構(gòu)理論為材料、醫(yī)學(xué)、能源、生命等多個學(xué)科奠定了基礎(chǔ),體現(xiàn)了物質(zhì)組成的本質(zhì).元素性質(zhì)決定著其原子結(jié)構(gòu),通過探究原子結(jié)構(gòu)能夠進一步加深對物質(zhì)變化的了解,還可以對元素性質(zhì)進行推測,是分析設(shè)計的重要前提.

        參考文獻:

        [1]楊明生. 不同版本教科書“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”內(nèi)容比較及教學(xué)建議[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2009(10):30-32.

        [2]王峰. 研究教材模糊表述 提高教師專業(yè)素質(zhì)——以“元素的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容為例[J]. 化學(xué)教育,2010,31(01):34-37.

        [3]張雙,蔡文聯(lián),陳裕森. 選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》難度的定量分析——以“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”為例[J]. 閩南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,28(03):114-117.

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