原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系

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(duì)元素性質(zhì)進(jìn)行考究過程中，發(fā)現(xiàn)電子親和勢(shì)、電離勢(shì)、原子半徑等均同原子結(jié)構(gòu)存在聯(lián)系，也同原子中價(jià)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(gè)電子能量依據(jù)原子結(jié)構(gòu)中心勢(shì)場(chǎng)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(duì)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(yùn)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(duì)多電子原子而言，同核的間距最遠(yuǎn)的是第一價(jià)電子，而這一距離的大小決定著原子半徑.因?yàn)殡娮幽芰客娮优c核的間距有一定聯(lián)系，所以第一價(jià)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(duì)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(diǎn).因?yàn)閷?duì)同周期元素而言，第一價(jià)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?yàn)樵赯*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(duì)應(yīng)第一價(jià)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(jià)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(duì)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(diǎn)，這同Z*的周期性由很大的關(guān)系，詳見圖1.

2.電子親和勢(shì)

原子借助殘余核電荷能夠?qū)﹄娮舆M(jìn)行俘獲，能夠表示為原子對(duì)外來電子的有效核電荷.俘獲的電子能量同原子對(duì)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(duì)應(yīng)的電子親和勢(shì)越大.第一價(jià)電子的Z*、原子核對(duì)外來電子的Z*二者相平行，所以I1、電子親和勢(shì)的變化特點(diǎn)一致.

3.電負(fù)性

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

在電負(fù)性變化特點(diǎn)及所致緣由方面，周期系元素同電離勢(shì)相似但不重復(fù).借助原子序曲線對(duì)電負(fù)性進(jìn)行描繪，方便開展對(duì)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(gè)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(jìn)一步加深對(duì)物質(zhì)變化的了解，還可以對(duì)元素性質(zhì)進(jìn)行推測(cè)，是分析設(shè)計(jì)的重要前提.

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