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1、元素性质的异常现象与原子核外电子排布的关系元素性质的异常现象与原子核外电子排布的关系摘要友文从原子核外电子排布的规律，揭示了周期系中某些元素在同族中性质出现异常现象，是能级组中新亚层的出现引起的。关键词能级组;亚层;屏蔽作用;钻穿效应从元素周期系粗略地看，同族元素呈现某些规律性的变化，但是，在规律中我们常看到某些例外。(1)氢的特殊性氢与铿、钠、钾、铆、艳、舫属同一族元素.可是，氢及其化合物的性质与后者差别是很大的。氢是非金属，铿、钠、钾、铆、艳为典型的金属。氢的电离能远大于同族其它元素的电离能;H 十的氧化性远比碱金属的 M 十离子氧化性强得多。(2)第二周期 P 区元素的特殊性 a.氢化物
2、的特殊.从硼到氟它们的氢化物的标准生成自由能变G，值与本族相比都要更负，其稳定性较高。NH3,H,O,HF 都可以形成氢键，导致这些氢化物与本族其它氢化物相比熔点、沸点以及酸碱性在同系列规律之外。b.当出现高氧化态时，第二周的 HNO,是一种典型的氧化性酸，而同族的第三周期的 H3P0;几乎是一种无氧化的酸;虽然CO:是一个很弱的氧化剂，可相对于第三周期的Si0:来说，氧化性要强，这从标准电极电势可知:Eccyic=0. 195 v ,Es;o,s;=一 o. ss v。硫、硒、啼最高氧化数为+vI，氯、澳、碘最高氧化数为+vII，氧和氟分别属 yr a 和 TJB p 族，可是到目前为止根本
3、没有发现氧化数为+VI 的氧和氧化数为+妞的氟的化合物，而它们的低氧化态的化合物倒是很稳定的，这说明氧和氟在本族中的特殊性是很典型的。(3)第四周期 P 区元素中锗、砷、硒、嗅的化合物相对于第三、五周期同族的同系列化合物有差异如 PC.I,SbCI都是稳定的，而砷除有 AsFs 外.而 AsCI,AsBr,AsI暂都没有发现。UeH、在碱性溶液中不水解，而 SiH- SnH、能在碱性溶液中迅速水解。硒的高氧化态的 SeO;-氧化能力要比 SO;一和 H6Te0。都要强，这可从标准电极电势可见:Esoa; iH“,-0“ 172V , E0seoa-iH“seo3 -1. 15 , EH6T6T
4、: -1. 02 V。在卤素中，HCIO- HBrO- HIO也是以该周期中的 HBrO,氧化性最强，制取最困难，直到 1968 年才得到。连HBrO:的氧化性也较ICIO,和fII03 强。(4)第六周期的 P 区元素从 Tl 到 Bi 都表现出高氧化态具有较强的氧化性很早就有人利用 6S是惰性电子对来解释，近年来有许多人认为这些元素与同族元素相比其原子半径大，成键时电子云重叠程度小，内层电子斥力大，导致键能减小来解释。影响元素性质的根本原因是原子核外电子分布的特殊性的结果。除氢原子、类氢离子外，其它多电子原子因电子的屏蔽作用，结果使多电子原子核外电子的能级发生交错，因而原子核外电子的填充按
5、 ls;2s2p;3s3p;4s3d4p;5s4d5p;6s4f5d6p;7s5f“的能级组依次填入，周期的划分实际是按能级组划分的。第一周期的元素电子将填入第一能级组 is，第二周期元素的电子将依次填入第二能级组 2s2p, “依此类推。不难发现，第一周期元素氢、氦的原子核外电子是第一次进入 is 亚层，第二周期元素从硼到氖电子依次向第一次出现的 2p 亚层填入，而第三周期的元素都是进入前两周期出现过的 s,p 亚层，其性质递变多在规律之内。第四周期元素从承到 Kr 电子依次向第一次出现的 3d 亚层填入，第六周期从 Ce到 Rn 电子依次向第一次出现的 4f 亚层填入。每一能级组中，当新出
6、现一个亚层时，该亚层电子刚填满以后，这些电子并不能全部屏蔽所增加的核电荷;因屏蔽系数不但与主量子数 n 有关，同时与角量子数!有关，并随角量子数 l 值增大而减小。幸亏每增加角量子数 l 值较大的新亚层，如 d 在(n 一 1)电子层中，f 在(n-2)电子层中，钻穿效应小的 d,f 亚层依次内藏，而增大屏蔽作用，从而使相应的元素有效核电荷不会猛增，仅只稍有增加，使元素性质稍有特殊。钻穿效应大的 s,p 新亚层第一次出现时在 n 层，即在第一二能级组中，其屏蔽作用并不很大，因而元素的原子有效核电荷是会有较大的增加，这些元素的性质显得更要特殊些。从周期系看.凡出现新亚层的能级组时，元素原子的电子
7、当开始进入该能级组中最高能量的亚层 np(第一能级组为 is)的元素，多数元素都表现出它的特殊性，最典型的是最高氧化态化合物稳定性差，其化合物的氧化能力较同族的上下元素氧化性要强。如前所述的 H+比 IA族元素的 M+离子氧化性强得多，因氢的电子是第一次进入新亚层is(这只有一个亚层)。第二周期从硼到氖都是电子第一次进入新亚层 2p 的，即该能级组中的最高能量亚层的元素，所以，第二周期从硼到氟在各族中都表现出更特殊的性质。另外，ZS 和2P 又是在各自能级中的最高能量亚层，那些元素的这些亚层上的电子屏蔽系数较小.所以影响更大，在整个周期表中可以看出，第一、第二周期的氢、硼、碳、氮、氧、氟显得更
8、特殊。第四周期的锗、砷、硒、澳在对应族中表现的特殊性当然不及第一二周期对应元素，可是它们与第三、五周期对应元素比较有些在规律之外:这是因为它们是在第四能级组中有新亚层3d 填满后的 4p 亚层电子填入的几种元素。第六周期从锐到秘的最高氧化态相对于相应族中的其它元素规律的变化相比较，锐到秘的高氧化态稳定性低，这些元素是出现新亚层 4f 的第六能级组中，6p 亚层电子填入的元素。上面所述的这些情况都属于出现新亚层的能级组中最高亚层电子填入的元素，因而这些元素相对于同族元素集中表现在高氧化态具有比其它同族元素氧化性更强的特殊性。这主要是第一次出现新亚层.不能有效地屏蔽核电荷，倾向于维持这样的新体系，
9、致使较少的价电子参与化学反应，这就是上述所指出的某些元素在同族中显示异常性质的根本原因。同时，从各族元素的电离能看，氢的电离能比任何碱金属元素电离能都要大得多，第二周期 P 区元素在同族中电离能最大，第三周期对应元素电离能减小，但第四周期对应元素电离能减小很少，甚至增大，第五期对应元素依次减小，可是到第六周期又出现第四周期类似的情况。下面为某些元素 ns 电子的电离能从电离能的变化规律也说明新亚层出现后带来的结果。第一能级组有新亚层 is 第一次出现，第二能级组有新亚层 2p，第四能级组有新亚层 3d ,第六能级组有新亚层 4f。所以，第一、二、四、六周期的 P 区(氢为、区)某些元素出现有些
10、异常现象;而第三、五能级组不出现新亚层，故第三、五周期 P 区元素在同族中遵守变化规律是比较正常的。假如有一天，元素周期表第七周期完成了，按上述能级组的划分，其电子要填入 7s,Sf,6d,7p 的第七能级组，则没有出现新亚层 Sg，所以，第七周期的P 区元素的最高氧态会比第六周期元素高氧化态稳定，是否有预期的结果，有待于日后的检验。参考文献i无机化学北师大等校编(第一、二版)2无机化学武汉大学等校编(第二版)3无机化学新论选读陈展交编THE RELATION BETWEEN ANORMAL PHENOMENA OFPROPERTIES OFELEMENTS AND ARRANGEMENTOF
11、 ELECTRONS OUTSIDE ATOMIC NULEUSZhou LingfenAbstract From the law of the arrangement of electrons outside an atomic nucleus,theaticle reveals that in a periodic system the anormal phenomena of propertiers of some ele-ments in the same family are caused by the appearance of the new subshell in the group of en-ergy levels.Key Words group of energyleveis;subshell;shielding function; penetrating effct.
