原子结构与元素性质的关系

杨若轩

(河北省保定市第一中学 071000)

一、影响元素性质的因素

对元素性质进行考究过程中，发现电子亲和势、电离势、原子半径等均同原子结构存在联系，也同原子中价电子能量直接相关.因而通过研究影响阶电子能量的因素去总结影响元素性质的因素.

原子中的各个电子能量依据原子结构中心势场模型通常由式(1)表示：

(1)

式(1)中有效主量子数是n*，原子核对某电子的有效核电荷是Z*，电子能量是E.所以干扰元素性质的关键就是有效主量子数、有效核电荷.

1.有效核电荷(Z*)

有效核电荷定义由式(2)表示:

Z*=Z-S

(2)

式中Z为核电荷，S为屏蔽常数.

借助不同方式能够运算出有效核电荷，包括：克里门蒂—雷蒙迪法、斯莱脱法和斯莱脱—徐光宪法，后者以斯莱脱法为前提，由国内量子化学家所提出.

二、元素的一些性质和原子结构的关系

1.原子半径

针对多电子原子而言，同核的间距最远的是第一价电子，而这一距离的大小决定着原子半径.因为电子能量同电子与核的间距有一定联系，所以第一价电子主量子数、有效核电荷都间接决定着化学元素的原子半径大小.原子半径同Z*反相关，但是却同n*呈正相关的关系.

对于周期系元素原子半径的变化规律总结为：

(1)若原子为同周期元素，则其半径具有自左至右不断减小的特点.因为对同周期元素而言，第一价电子有效主量子数固定，Z*的不断增大才最终导致该收缩反应.同Z*递变幅度一致，收缩幅度最小和大的区域分别为f区、s区.

(2)基于同周期递度下，因为在Z*差值方面，第六周期La和Hf之差同其余邻近d区元素相比明显要大，所以二者的半径差值为0.25A，比d区各邻近两元素半径的差值都大.

(3)在s区和p区内，同族元素原子半径由上自下不断增大，表示出Z*因素递变具有的影响力要比n*因素要小.例如在IA族中，对应第一价电子的n*、Z*和电子能量(结合上述公式)的分布状况见表1.

表1

自H至Fr,第一价电子的能量逐渐增大，这是由于此自上至下原子半径不断增大，且同Z*因素相比，n*因素的递变产生着主要的影响.

(4)对于d区的原子半径，s、p区同ⅢB族存在明显的差异.其它族的变化状况为rⅢ>rⅡ>rⅠ，其中元素所属过渡系用罗马数字表示.

(5)在原子序不断增大的过程中，原子半径具有周期性的特点，这同Z*的周期性由很大的关系，详见图1.

2.电子亲和势

原子借助残余核电荷能够对电子进行俘获，能够表示为原子对外来电子的有效核电荷.俘获的电子能量同原子对外来电子的有效核电荷呈反相关的关系，后者越大，前者越低，对应的电子亲和势越大.第一价电子的Z*、原子核对外来电子的Z*二者相平行，所以I1、电子亲和势的变化特点一致.

3.电负性

如果分子内原子视作中性原子，那各元素原子对分子内键电子能力的吸引量度即为电负性.俘获键电子的能量决定着电负性大小，二者呈反相关的关系，所以核对键电子Z*、俘获电子n影响着电负性.

在电负性变化特点及所致缘由方面，周期系元素同电离势相似但不重复.借助原子序曲线对电负性进行描绘，方便开展对比分析(如图2所示).

作为现代化学的关键构成，原子结构理论为材料、医学、能源、生命等多个学科奠定了基础，体现了物质组成的本质.元素性质决定着其原子结构，通过探究原子结构能够进一步加深对物质变化的了解，还可以对元素性质进行推测，是分析设计的重要前提.

参考文献：

[1]杨明生. 不同版本教科书“原子结构与元素的性质”内容比较及教学建议[J]. 中学化学教学参考,2009(10):30-32.

[2]王峰. 研究教材模糊表述 提高教师专业素质——以“元素的性质与原子结构”内容为例[J]. 化学教育,2010,31(01):34-37.

[3]张双,蔡文联,陈裕森. 选修模块《物质结构与性质》难度的定量分析——以“原子结构与元素的性质”为例[J]. 闽南师范大学学报：自然科学版,2015,28(03):114-117.