原子結構與元素性質的關系

楊若軒

(河北省保定市第一中學 071000)

一、影響元素性質的因素

對元素性質進行考究過程中，發現電子親和勢、電離勢、原子半徑等均同原子結構存在聯系，也同原子中價電子能量直接相關.因而通過研究影響階電子能量的因素去總結影響元素性質的因素.

原子中的各個電子能量依據原子結構中心勢場模型通常由式(1)表示：

(1)

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

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，由國內量子化學家所提出.

二、元素的一些性質和原子結構的關系

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系，所以第一價電子主量子數、有效核電荷都間接決定著化學元素的原子半徑大小.原子半徑同Z*反相關，但是卻同n*呈正相關的關系.

對于周期系元素原子半徑的變化規律總結為：

(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固定，Z*的不斷增大才最終導致該收縮反應.同Z*遞變幅度一致，收縮幅度最小和大的區域分別為f區、s區.

(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區元素相比明顯要大，所以二者的半徑差值為0.25A，比d區各鄰近兩元素半徑的差值都大.

(3)在s區和p區內，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，對應第一價電子的n*、Z*和電子能量(結合上述公式)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*因素的遞變產生著主要的影響.

(4)對于d區的原子半徑，s、p區同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系，詳見圖1.

2.電子親和勢

原子借助殘余核電荷能夠對電子進行俘獲，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的關系，后者越大，前者越低，對應的電子親和勢越大.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

如果分子內原子視作中性原子，那各元素原子對分子內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，二者呈反相關的關系，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.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).

作為現代化學的關鍵構成，原子結構理論為材料、醫學、能源、生命等多個學科奠定了基礎，體現了物質組成的本質.元素性質決定著其原子結構，通過探究原子結構能夠進一步加深對物質變化的了解，還可以對元素性質進行推測，是分析設計的重要前提.

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