根据元素的Z’,还可说明元素的原子半径、电离能、电 负性、金属性等的递变规律: §5-3元素的性质与原子结构的关系 中学知,元素周期表最早是通过元素性质排列出来的 ·通过学习原子结构,我们可进一步(从原子结构的角度成认 周期表以及元素性质的周期性变化 元素有效核电荷的周期性变化,决定了原子半径、电离 能、电子亲合能、电负性、金属性与非金属性的周期性 变化。首先 ()原子半径 1、种类: a)通过理论计算*自由半径 90% 定义:电子云90%的界面球面)
• 根据元素的Z’，还可说明元素的原子半径、电离能、电 负性、金属性等的递变规律: §5-3 元素的性质与原子结构的关系 • 中学知，元素周期表最早是通过元素性质排列出来的 • 通过学习原子结构，我们可进一步(从原子结构的角度)认 识周期表以及元素性质的周期性变化 • 元素有效核电荷的周期性变化，决定了原子半径、电离 能、电子亲合能、电负性、金属性与非金属性的周期性 变化。首先： • (一) 原子半径 • 1、种类： • a) 通过理论计算——*自由半径 • 定义：电子云90%的界面(球面) r 90%
b)通过实验测定: R AA 共价分子/化合物中,共价键键长的12 如O2分子:F=RA2,称为共价半径 金属晶体中,原子结合情况与共价化合 物稍有不同则厂=RMm/2,称为金属半径 惰性气体中,原子间不形成化学键,但AA 由于在T很低时也能液化、固化,因此 原子(分子间以分子间力( Van de aals力) 作用,相互接触,形成分子晶体 以及如干冰CO2,两个分子间也以VdW 力相互作用,其OO间的半径 R 以上二者都称为接触半径 CO? CO? 或 van de waa ls半径 aA
• 共价分子/化合物中，共价键键长的1/2 • 如O2分子：r=RAA’/2, 称为共价半径 • 金属晶体中，原子结合情况与共价化合 • 物稍有不同则r=RMM’/2, 称为金属半径 • 惰性气体中，原子间不形成化学键，但 • 由于在T很低时也能液化、固化，因此 • 原子(分子)间以分子间力(Van de Waals力) • 作用，相互接触，形成分子晶体 • 以及如干冰CO2，两个分子间也以VdW • 力相互作用, 其O-O间的半径 • 以上二者都称为 接触半径 或van de Waals半径 A A’ RAA’ A A’ RAA’ CO2 CO2 • b) 通过实验测定：
H·尽管的种类、取法有不同,但研究原子半径 He 总有一些变化规律(p149表5-8) Be B O FNe 原子半径(pm)比例图 8077706664 Ar 86 4311711010499 Mn Fe ce a e Br KI 227197161145131125137124125 128123122123121117114 Rb Sry Zr Nb Mo Tc Ru rh pd Cd In Sn Sb Te 248216181160143136136133135138 149163141141143133 o° ooooolooloooc Cs Ba La Hf Ta w Re Os Ir Pt Au hg tI Pb Bi Po At Rn 265217188156143137134134136138144160170175155187 ●●●●●●●●●●●●● a Ce pr nd pm sm eu gd tb 8818318218l18l180199180178 177173175194173
原子半径 (pm) 比例图 H 37 He Li Be 152 111 B C N O F Ne 80 77 70 66 64 Na Mg 186 160 Al Si P S Cl Ar 143 117 110 104 99 K Ca 227 197 Ga Ge As Se Br Kr 122 123 121 117 114 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 161 145 131 125 137 124 125 125 128 123 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 248 216 181 160 143 136 136 133 135 138 145 149 163 141 141 143 133 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 265 217 188 156 143 137 134 134 136 138 144 160 170 175 155 187 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 188 183 182 181 181 180 199 180 178 177 177 173 175 194 173 • 尽管r的种类、取法有不同，但研究原子半径， 总有一些变化规律 (p149 表5-8)
2、变化规律 横向看:主族 副族 r≈529(pm VI140 族 族 ·明显减小,惰性气体突然增大缓慢减小略有上升 因:最外层的同层增加1e n-1层增加le,o增加0.85 σ增加0.35,z↑0.65,八大z个0.15,八较小 回升:因电子层已满,且为接因d已满,屏蔽效应 触半径,堆积不紧密 较大
• 2、变化规律 • 横向看： 主族 副族 • 明显减小, 惰性气体突然增大 缓慢减小 略有上升 • 因: 最外层的同层增加1e n-1层增加1e, 增加0.85 增加0.35, Z’0.65, r大 Z’0.15, r 较小 回升: 因电子层已满，且为接 因 d 10 已满，屏蔽效应 触半径, 堆积不紧密 较大 r VII 族 IA A 0 (pm) ' 52.9 2 Z n r I 族 ⅢB B IIB r
纵向看:主族 副族 下周朗 过渡系 明显增大 1_2缓慢增大;2>3几乎不变 少数减小) 因为:电子层数增大e填充内层d子多个较少 a系收缩(e填n-2.相对论收缩) 二)电离能(E: Ionization Energy;P: Ionization potential) 1、定义:由气态原子失去e,变成+1价离子吸收的能量 A(g)-e=A+(g)E1(P12E1)第一电离能△Hn0 A+(g)-e=A2+(g)En(IP1,lEn)第二电离能
• 纵向看：主族 副族 r 周期 上 下 • 明显增大 1→2缓慢增大；2→3几乎不变 (少数减小) • 因为：电子层数n增大 e填充内层, d电子多, r较少 La系收缩(e填n-2,相对论收缩) • (二)电离能 (IE: Ionization Energy; IP: Ionization Potential) • 1、定义: 由气态原子失去e，变成+1价离子吸收的能量 • A (g) – e == A+ (g) EI (IPI , IEI ) 第一电离能=rHm • A+ (g) – e == A2+ (g) EII (IPII, IEII) 第二电离能 r 1 2 3 过渡系
2、规律—p151表5-10 总体来看,横向(各周期,不同族): 主族左→右较快升高,0族最高 副族左→右较慢升高 纵向(各族,不同周期): 因此,Cs(P最小 主、副族上→下减小 He最大 因为=-1362但是,细致分析有 人、 Be b n。B·Nem=2总体趋势:左→右↑ E PAr n=3 上→下↓ 但:1)B<Be,A<Mg 或ⅢA<Ⅱ 2)ON, S<P 或VA<VA ⊥1⊥1主族与近似能级公式矛盾 IIⅢAVAⅥA
• 2、规律——p151 表5-10 • 总体来看，横向(各周期, 不同族)： • 主族 左→右 较快升高, 0族最高 • 副族 左→右 较慢升高； • 纵向(各族, 不同周期)： • 主、副族 上 → 下 减小 但是，细致分析有： Ar n=3 Ne n=2 F N O C Be B Li ⅥA IIA IE1 主族 ⅢA VA 总体趋势: 左→右↑ 上→下↓ 但：1) B<Be, Al<Mg 或 IIIA< IIA 2) O<N, S<P 或 VIA< VA 与近似能级公式矛盾! 因此，Cs(Fr)最小 He最大 2 2 ' 13.6 n Z • 因为： E = −
FNe n- Be:1S2sz=4-(2×0.85+0.35)=1.95 DAr n=3 Be B:s2s2pz′=5-(2×0.85+2×0.35)=260 N:1s2s2p3z=7-(2×0.85+4×0.35=3.90 主族 O:1s2s2p4Z=8-(2×0.5+5×0.35)=455 VAⅥ A IIA A 且后者的r也小→的确与静电作用矛盾! 原因是:Be的2s电子已经配对,拆散困难(克服成对能) N为稳定的半满结构,失去e难同理d5dl0 °电子填充不规则,电离能变化不规则,进一步说明原子、 分子的电子结构复杂,性质很难有简单公式描述 Koopmann定理:电离能一E能级(电离能≠E能级) 是因为电离过程中,e云要发生变形,原来的相互作用 ( Hamilton量)要重新分配,伴随能级发生变化 因此,用能级公式计算电离能,只能用于电子作用不 重新分配的H原子和类H离子这样的单电子体系
• 原因是：Be的2s 2电子已经配对，拆散困难 (克服成对能) • N为稳定的半满结构，失去e困难 同理d 5 d 10 • 电子填充不规则，电离能变化不规则, 进一步说明原子、 分子的电子结构复杂，性质很难有简单公式描述 • Koopmann定理：电离能≈-E能级 (电离能≠-E能级) • 是因为电离过程中，e云要发生变形，原来的相互作用 (Hamilton量)要重新分配，伴随能级发生变化 • 因此，用能级公式计算电离能，只能用于电子作用不 重新分配的H原子和类H离子这样的单电子体系 Ar n=3 Ne n=2 F N O C Be B Li ⅥA IIA IE1 主族 ⅢA VA Be: 1s22s2 Z’= 4–(2×0.85+0.35)=1.95 B: 1s22s22p1 Z’=5–(2×0.85+2×0.35) =2.60 N: 1s22s22p3 Z’=7–(2×0.85+4×0.35)=3.90 O: 1s22s22p4 Z’=8–(2×0.85+5×0.35)=4.55 且后者的 r 也小 ➔ 的确与静电作用矛盾！
(三)电子亲合能与电负性 1、电子亲合能 定义:基态的气态原子,获得一个e放出的能量 A( 8)+e,a(g) EA=AHm.(Electronic Affinity 是衡量原子尤其是非金属原子获得e难易程度的物理量 显然z越大,获得电子的能力越强,EA个 因此周期表右上角EA大,变化规律大体与电离能一致 不过迄今为止,物质的EA数据十分不可靠 2、电负性(p153,表5-12) 原子在分子中吸引电子的能力,用表示 是人为(主要是 Pauling提出)规定的标准 Li:x=1.0:F:x=4.0 书表5-12:0.98;3.98三位更细致
• (三) 电子亲合能与电负性 • 1、电子亲合能* • 定义：基态的气态原子，获得一个e放出的能量： • A (g) + e → A- (g) EA=-rHm (Electronic Affinity) • 是衡量原子尤其是非金属原子获得e难易程度的物理量 • 显然Z’越大，获得电子的能力越强，EA • 因此 周期表右上角EA大, 变化规律大体与电离能一致 不过迄今为止，物质的EA数据十分不可靠 • 2、电负性 (p153, 表5-12) • 原子在分子中吸引电子的能力，用x表示 • 是人为 (主要是Pauling提出) 规定的标准： Li: x=1.0; F: x=4.0 书表5-12：0.98; 3.98三位更细致
H 元素电负性比例图 ( Pauling Scale) B O FNe 981 204255304344398 ar 9313 611.902.192.583.16 iⅤ Cr Mn Fe co 82100361541631661.551.8318811190165181201218255296 Rb Sry Zr nb Mo tc ru rh pd ag cd In Sn Sb Te b820.95.221.331.62.162.10222282201931691.781.9620521266p60 Ba la Hf Ta w Re Os Ir Pt Au Hg Pb Bi Po At Rn 790.891.101.31.51.71.922222224 81.81.92.022 Ra Ac Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 70.91.1 101.121.131.14 7--1.20-1.221.231.241.25 Ac Th Pa 11.31.51.7
元素电负性比例图 (Pauling Scale) La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 1.10 1.12 1.13 1.14 -- 1.17 -- 1.20 -- 1.22 1.23 1.24 1.25 -- 1.0 Ac Th Pa U Np Pu 1.1 1.3 1.5 1.7 1.3 1.3 H 2.20 He Li Be 0.98 1.57 B C N O F Ne 2.04 2.55 3.04 3.44 3.98 Na Mg 0.93 1.31 Al Si P S Cl Ar 1.61 1.90 2.19 2.58 3.16 K Ca 0.82 1.00 Ga Ge As Se Br Kr 1.81 2.01 2.18 2.55 2.96 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2 Fr Ra Ac 0.7 0.9 1.1
横向(各周期,不同族):主族左→右逐渐升高 纵向(各族,不同周期):主副族上→下逐渐減小 正好与z的变化规律一致 因此,Cs079(Fr07)最小,F最大3.98 通常,金属2.0 电负性越大,表示在分子中原子吸引电子的能力越强 ·(四)金属性与非金属性 ·指元素(在化学反应中)得、失e的难易程度 显然,得e易,非金属性强;失e易,金属性强 1、影响因素 基于前面的讨论,原子得失e的难易程度与?因素有关 e层结构(ne数)、r、z
• 横向(各周期, 不同族)： 主族 左 → 右 逐渐升高 • 纵向(各族, 不同周期)：主副族 上 → 下 逐渐减小 正好与Z’的变化规律一致 • 因此，Cs 0.79 (Fr 0.7)最小, F最大3.98 • 通常，金属 2.0 • 电负性越大，表示在分子中原子吸引电子的能力越强 • (四) 金属性与非金属性 • 指元素(在化学反应中)得、失e的难易程度 • 显然，得e易，非金属性强；失e易，金属性强 • 1、影响因素 • 基于前面的讨论，原子得失e的难易程度与?因素有关 e层结构(n e数)、r、Z’