元素的性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系
銅臭 / 2022-07-19
各種元素表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，其根本原因是它們的原子結(jié)構(gòu)不同。零族元素(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn)的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，在常溫下都是氣體，以單原子分子存在，在一般情況下很難和其它元素相互化合，故稱為惰性氣體。這是因?yàn)樵撟逶鼐哂刑厥獾耐鈱与娮咏Y(jié)構(gòu)，即除He原子的最外層只有兩個(gè)電子外，其它的原子最外層都是8個(gè)電子，電子殼層特別穩(wěn)定。人們就以這種電子殼層為惰性殼層或穩(wěn)定殼層，作為研究、比較其它元素性質(zhì)的依據(jù)。各種元素的原子都有得到或失去電子的傾向，使其外層電子達(dá)到穩(wěn)定殼層。
下面討論元素的金屬性和非金屬性以及元素化合價(jià)變化與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。
一、元素的金屬性和非金屬性
典型金屬最外層電子數(shù)一般小于4,容易失去最外層電子而成為帶正電荷的正離子。例如鈉原子的電子排布為1s²，2s²2p?，3s¹,失去3s¹電子后，成為帶一個(gè)正電荷的鈉離子，電子排布成為1s²，2s²2p?;此時(shí)具有8個(gè)電子的次外層成為穩(wěn)定殼層的最外層。典型非金屬最外層電子數(shù)一般大于4,容易得到電子而成為帶負(fù)電荷的負(fù)離子，例如氯原子的電子排布為1s²，2s²2p?，3s²3p?，得到一個(gè)電子后成為帶一個(gè)負(fù)電荷的氯離子，電子排布 成為1s²，2s²2p?， 3s²3p?, 此時(shí)最外層成為有8個(gè)電子的穩(wěn)定殼層。因此常以金屬性的強(qiáng)弱表示原子失去電子能力的大小，以非金屬性的強(qiáng)弱表示得到電子能力的大小。也就是說(shuō)，愈易得到電子，則其非金屬性愈強(qiáng)，愈易失去電子，則其金屬性愈強(qiáng)。原子失去電子或得到電子成為穩(wěn)定電子層結(jié)構(gòu)的難易程度，首先是與該元素原子的電子層結(jié)構(gòu)，特別是和其最外層電子數(shù)有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，外層電子數(shù)較少的原子較易失去電子，元素的金屬性較強(qiáng);反之，外層電子數(shù)較多的原子，較易得到電子，則元素的非金屬性較強(qiáng)。
其次，元素原子失 去或得到電子的難易，還和原子核對(duì)外層電子引力的強(qiáng)弱有關(guān);而核對(duì)外層電子引力的強(qiáng)弱，則與原子的核電荷數(shù)及原子半徑有關(guān)。原子半徑就是原子核到最外電子層的平均距離，它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或由理論計(jì)算求得，各元素的原子半徑如圖3-6所示。一般地說(shuō)，如果原子的電子層結(jié)構(gòu)相似時(shí)，核電荷數(shù)越少，原子半徑越大，則核對(duì)外層電子引力越小，原子就易失去電子，因此元素的金屬性越強(qiáng);反之，原子的核電荷數(shù)越多，原子半徑越小，則核對(duì)外層電子的引力越大，原子就越難失去電子，因此元素的非金屬性越強(qiáng)。總之，根據(jù)元素原子的最外層電子數(shù)、核電荷數(shù)和原子半徑的大小三種因素，可以比較元素金屬性和非金屬性的強(qiáng)弱。
下面從周期表的橫行和縱行來(lái)比較金屬性和非金屬性的變化規(guī)律;
1.同一周期元素的金屬性和非金屬性。在元素周期表里，向一周期主族元素的性質(zhì)，都是隨著核電荷數(shù)的增加有規(guī)律地變化著。在同一周期中，主族元素的金屬性從左至右逐漸減弱，簡(jiǎn)非金屬性逐漸增強(qiáng)。這懸由于同一周期中主族元素從左至右，各元素原子的核電荷數(shù)和最外層電子數(shù)依次遞增，而原子半徑則是遞減的(見(jiàn)圖2-6)。這三種因素都使原子核對(duì)外層電子的吸引力逐漸增強(qiáng)，所以從左至右，元素失去外層電子的傾向，依次遞減，因而元素的金屬性逐漸減弱，而非金屬性逐漸增強(qiáng)。如以第三周期為候，該周期中各種元素的原子都有三個(gè)電子層，但從 Na到Cl,它們的核電荷數(shù)從+11增加到+17,最外電子層上的電子數(shù)從1增加到7，而原子半徑從1.572減到0.994,所以核對(duì)外層電子的吸引力逐漸增強(qiáng)，外層電子漸難失去，因而從Na到CI金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。
位于周期表中部的過(guò)渡元素，它們的原子最外層是1個(gè)或2個(gè)s態(tài)電子，所以顯金屬性。這些元素的特點(diǎn)是隨著核電荷數(shù)的遞增，電子依次排到原子的次外層d亞層或外數(shù)第三層的f亞層上。因此，使這些元素原子半徑減小比同周期主族元素來(lái)得級(jí)慢，故原子失去電子能力的變化也就不象主族元素那樣明顯。過(guò)渡元素的金屬性從左至右雖也依次減弱，但比較緩慢。
2.同一族中元素的金屬性和非金屬性。在同一族元素中，外層電子數(shù)是相同的。那么，這些元素的金屬性或非金屬性的相對(duì)強(qiáng)弱就決定于核電荷數(shù)和原子半徑。隨著核電荷數(shù)的增加，將會(huì)引起兩種效果:一方面是核電荷數(shù)增多，核對(duì)外層電子的引力增大，外層電子就難以失去;另方面是隨著核電荷數(shù)增多，核外電子層的數(shù)目增加，原子半徑相應(yīng)增大，核對(duì)外層電子的引力孩少，外層電子反容易失去，這是矛盾的兩個(gè)方面。實(shí)踐證明，對(duì) 于間一主族元素來(lái)說(shuō)， 原子半徑增夫所產(chǎn)生的影響是主要的。因此，在同一主族元素中，隨著核電荷數(shù)的增大，原子半徑增大，核對(duì)外層電子的引力減弱，原子失去電子的傾向增大，所以元素的金屬性由上而下逐漸增強(qiáng)，而非金屬性由上而下逐漸減弱。
在同一副族元素中，隨著核電荷數(shù)的增多，原子半徑也相應(yīng)地增大，但由于原子半徑增大較小，因此，由半徑增加使電子較易失去的傾向是次要的，而因核電荷數(shù)增加對(duì)電子所增加的引力則是主要的，總的結(jié)果是核對(duì)外層電子引力增大，原子失去電子的傾向減小。因此在同一副族中(鈧副族除外，因其原子半徑增大較顯著)，從上到下，隨著核電荷數(shù)的增多，元素的金屬性一般是減弱的。
各元素化合物的性質(zhì)與元素的性質(zhì)一樣，也是隨著核電荷數(shù)遞增而表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。在同一周期里，各元素最高價(jià)氧化物的水化物，從左至右，堿性逐漸減弱，酸性逐漸增強(qiáng)。例如第三周期里各元素氧化物的水化物的酸堿性變化:
在同一主族里，各元素最高價(jià)氧化物的水化物，從上到下堿性逐漸增強(qiáng)，酸性逐漸減弱。例如，第I主族中各元素氧化物的水化物的堿性變化:
綜上所述，除副族元素和第疆族元素都是金屬外，各主族元素的金屬性和非金屬性，以及它們最高氧化物的水化物酸堿性的變化規(guī)律可用表3-5概括。
在表3-5中，從左到右，從下到上，元素的非金屬性逐漸增強(qiáng)，元素最高價(jià)氧化物的水化物酸性逐漸增強(qiáng);從右到左，從上到下，元素的金屬性逐漸增強(qiáng)，元素最高價(jià)氧化物的水化物堿性逐漸增強(qiáng)。
二、元素的化合價(jià)
元素的化合價(jià)是表示各種原子相互化合時(shí)，它們間的原子數(shù)之比?；蟽r(jià)和原子的電子層結(jié)構(gòu)，特別是最外層的電子數(shù)有著密切的關(guān)系。當(dāng)原子相互化合時(shí)，原子失去多少電子，它就顯多少正價(jià);原子得到多少電子，它就顯多少負(fù)價(jià)。原子中那些離核較遠(yuǎn)，并在一定的化學(xué)反應(yīng)條件下能脫離原子的電子，稱為該元素的價(jià)電子。元素的最高化合價(jià)一般由價(jià)電子數(shù)決定。下面討論零族、主族和副族元素的價(jià)電子。
如前所述，零族元素惰性氣體的電子層結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，其外層電子在一般情況下不能脫離原子，因此它們沒(méi)有價(jià)電子，故它們的化合價(jià)為零。
對(duì)于主族元素來(lái)說(shuō)，它們電子層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是電子排到最外層的s或P亞層上，這些電子參與化學(xué)反應(yīng);而次外層電子已經(jīng)排滿(2、8、18等)，這些電子不參與化學(xué)反應(yīng)。主族元素從I到可族的最外層電子數(shù)是1到7個(gè)，與其族號(hào)相同，因此主族元素和氧化合的最高化合價(jià)等于其最外層電子數(shù)，也等于其所屬的族號(hào)數(shù)(氟和氧例外，因?yàn)樗鼈兾娮拥膬A向最強(qiáng)，不可能和它們同族元素那樣生成正價(jià)化合物)，所以主族元素的最高化合價(jià)在同一周期來(lái)看，是由+1、+2、+3...到+7呈周期性的變化。
當(dāng)元素原子的最外層電子數(shù)多于4時(shí)(即自第Ⅳ主族起)，原子得到電子的能力比較強(qiáng)，傾向于奪得別的原子的電子，使最外層達(dá)到8個(gè)電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)為負(fù)價(jià)。如CH?、PH?、 H?S、HCI中的C、P、S、Cl的化合價(jià)依次為-4、-3、- 2、-1。由此可見(jiàn)，從第Ⅳ到Ⅶ主族元素的負(fù)價(jià)數(shù)等于8減去其族號(hào)數(shù)。
對(duì)于過(guò)渡元素的化合價(jià)，根據(jù)它們電子層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，最后排布的電子在次外層的d亞層上。由于其最外層和次外層電子都未達(dá)到較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此除了它們的最外層電子外，次外層上未充滿d亞層上的電子，也能參予化學(xué)反應(yīng)，故也是價(jià)電子。例 如，元素鉻(Cr )的電子排布是: 1s²，2s²2p?，3s²3p?，4s¹，3d?。其價(jià)電子為最外層1個(gè)8電子和次外層5個(gè)d電子，總數(shù)為6,所以它的最高化合價(jià)為+6,等于它所在族的號(hào)數(shù)。但必須注意，這一規(guī)律不完全適用于第Ⅷ族元素。在第Ⅷ族元素中，只有釘(Ru)和鋨( Os)能生成+ 8價(jià)的化合物(如RuO?,OsO,?)，其它元素如Fe、Co和Ni一般都只能生成較低價(jià)的化合物，常見(jiàn)的化合價(jià)是+2、+3。
副族ⅠB和ⅡB元素的最外層s電子數(shù)是1和2，次外層已達(dá)穩(wěn)定的1s電子層結(jié)構(gòu)。在一般情況下，它們的最外層電子就是價(jià)電子，所以最高化合價(jià)也等于其族號(hào)數(shù)。但銅(Cu)、 金(Au)例外，它們的d電子根據(jù)反應(yīng)條件的不同，也可以部分地參加反 應(yīng)。例如銅能生成穩(wěn)定的+ 2價(jià)化合物(如CuSO?)，金能生成 十3價(jià)化合物(如AuCI )。
總之，過(guò)渡元素由于原子的電子層結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，其化合價(jià)可隨著反應(yīng)條件的不同，表現(xiàn)出變價(jià)性質(zhì)。
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