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1、对金属活动性差异的原因探究研究目的探究不同金属活动性存在的差异的原因摘要由于未能查找到相关资料在。现有化学物理学术知识的基础上，根据自己的理解和认识，对金属性差异的原因进行探究。从原子电荷的屏蔽效应，电离能和元素电负性来考虑。主要思路从电子的逸出能力来比较，比较外层电子能量的高低来比较。最终发现用屏蔽效应和电离能结合来解释效果较好。研究背景在自然界中存在着众多的金属元素，作为人类生活生产中的重要物质，金属的活动性也是当今科学研究的重要课题。本文即旨在从基础化学的角度对活动性差异的原因做以探究。根据已学知识和查阅的资料，现有成果主要从电子的失去能力来研究。主要方面有：屏蔽效应造成的外层电子能量差
2、异；电离能；元素电负性。对此的研究可以更好地为工业生产服务，生产时根据元素的相关性质，更好的进行生产。正文金属是现代人类社会生产生活中不可缺少的物质。金属作为工业生产产品的原料。是国民经济中不可或缺的一环。但是，不同的金属之间存在一定差异。除过一般的物理性质外，还有一项极为重要的就是金属的活动性。这项性质在很大程度上决定了金属的性质和用途。例如，同样作为金属，Na可以在常温下与水放生剧烈反应生成氢气。铯发到水中甚至可以爆炸。而铂、金等惰性金属元素甚至不与强酸反应。本文从基础化学角度进行探究物质的性质都是有由结构决定的，例如，同样是由碳元素组成的单质，石墨和金刚石的性质却相差很大，石墨可以做铅笔
3、但金刚石的硬度却非常高。因为金属属于原子晶体，我们可以简单地将研究对象确定为金属元素的原子。而我们研究的范围现定于金属活动性表的K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb/Cu、Hg、Ag、Pt、Au原子由原子核和核外电子组成。原子核带正电，核外电子带负电，核外电子受原子核的静电吸引在核外作无规则运动。金属的活动性表现于金属的还原性，金属反应时倾向于失去外层电子达到稳定结构。所以金属的活泼型可以说是金属失电子的能力，而其失去电子的能力受两方面影响，一是核对于电子吸引束缚能力的强弱，二是外层电子的活性大小。电子的能量由低到高划分为K、L、M、O、P层，能级表示处在一定能层又具有一定形状的
4、电子云。通过测定金属的电极电势，可以比较金属之间的活动差异。下表是部分电极电势在酸性溶液中 (298K)电对 方程式 Eq/V基础教学cLi(I)(0) Li+e=Li 3.0401K(I)(0) K+e=K 2.931Ca(II)(0) Ca2+2e=Ca 2.868Na(I)(0) Na+e=Na 2.71Mg(II)(0) Mg2+2e=Mg 2.372H(0)(I) H2(g)+2e=2H 2.23Al(III)(0) Al3+3e=Al 1.662Si(IV)(0) SiF62+4e=Si+6F 1.24Cr(II)(0) Cr2+2e=Cr 0.913Zn(II)(0) Zn2+2
5、e=Zn 0.7618Fe(II)(0) Fe2+2e=Fe 0.447Sn(II)(0) Sn2+2e=Sn 0.1375Pb(II)(0) Pb2+2e=Pb 0.1262从中可看出活动性顺序与既有顺序表符合较好首先从电子本身的活跃程度来看，随着元素序数的增加，原子核内的质子数目也相应增加，进而所带正电也越多，但这并不简单地意味着对电子的吸缚能力越强，因为随着质子数的增多，为保持原子整体的电中性，相应的，核外电子的数目也会变多，而电子带负电，电子之间的静电排斥也相互影响，而内层电子与外层电子之间也会有一定的相互作用。所以原子核对于电子的吸引不再简单地向两个单独对象间的作用，还需考虑外在的影
6、响因素。这就好比两人手牵手，两人单独处在环境中时，相互作用比较明显，相互影响。但在人群拥挤时，这样的作用就会被减弱。经查阅资料，这种作用效果被称为屏蔽效应。意思是在原子的核外电子排布中，确定一个电子为研究对象，因为电子之间的作用，其余电子对对象存在一定的电荷屏蔽，屏蔽部分正电荷，削弱原子核的吸引能力。原子核对电子的束缚很大程度上就决定了所研究对象的能量，而这也是影响电子活性的重要因素，影响电子的“逃脱”能力。我们研究的是原子核对电子的实际吸引束缚能力，所以我们就需要知道核对电子原本应有的吸引作用以及前面谈到过的屏蔽作用。而后即可知道实际的束缚能力，暂且称之为有效核电荷，则Z*=Z-总 （Z*为
7、有效核电荷，Z为核电荷数，为屏蔽作用的计算结果）对于电子屏蔽作用的定量计算，我们采用广为接受的斯莱托规则斯莱脱规则是计算屏蔽系数的近似规则。影响屏蔽常数大小的因素很多，除了同产生屏蔽作用的电子的数目及它所处原子轨道的大小、形状有关外，还同被屏蔽的电子离核的远近和运动状态有关。为了计算屏蔽常数，可用斯莱脱(Slater)提出的规则近似求算。斯莱脱规则简述如下。 将原子中的电子分成如下几组：(1s)(2s，2P)(3s，3p)(3d)(4s，4p)(4d)(4f)(5s，5P)余类推。 (1)位于被屏蔽电子右边的各组，对被屏蔽电子的0，可以近似地认为，外层电子对内层电子没有屏蔽作用。 (2)ls轨
8、道上的2个电子之间的030，其他各组内电子之间的035。 (3)被屏蔽的电子为n s或np时，则主量子数为(n1)的各电子对它们的085，而主量子数小于(n1)的各电子对它们的100。 (4)被屏蔽的电子为nd或nf时，则位于它左边各组电子对它的屏蔽常数l.00。在计算某原子中某个电子的值时，可将有关屏蔽电子对该电子的值相加而得在计算电子能量中应用公式 来进行计算。为便于研究，我们先选择Ca Al Fe 为对象其外部电子排布为Ca： Al： Fe： 根据已有的知识，我们知道，原子失电子时是从外层向里层。所以对于三种元素，我们研究对象均确定为最外层的单电子。在此以钙元素的计算为例。4s层，第三层
9、中每个电子屏蔽数为0.85，第一层和第二层屏蔽数为1，同时本层中另一电子屏蔽0.35，所以总的屏蔽数为所以Z*为13-17.15=2.85，进而由公式可得电子能量为-6.904ev。同样可以由此计算其他元素外层电子的能量Al：-18.511ev，Fe：-11.953由此看出，Ca能量最大，电子最活跃，和实验结果和既有成果符合，但其余两元素计算结果与实验有差异。再选取Na、Mg、Zn、为研究对象。Na：-7.3ev,Mg:-12.274ev,Zn:-16.084ev，按照计算结果，顺序应为：钙、钠、铁、镁、锌、铝。与实验结果有较大差距。经分析，是由于我们在计算时，只计算的是最外层单电子的能量，但
10、是失电子时，并非所有元素都是如同IA族，只失一个电子，所以应考虑到失去多个电子时的差异。而这由元素的电离能来表示效果较好1 H 氢 1312.0 2 He 氦 2372.3 5250.5 3 Li 锂 520.2 7298.1 11815.0 4 Be 铍 932 1821 15390 21771 5 B 硼 800.6 2427.1 3659.7 25025.8 32826.7 6 C 碳 1086.5 2352.6 4620.5 6222.7 37831 47277.0 7 N 氮 1402.3 2856 4578.1 7475.0 9444.9 53266.6 64360 8 O 氧 1
11、313.9 3388.3 5300.5 7469.2 10989.5 13326.5 71330 84078.0 9 F 氟 1681.0 3374.2 6050.4 8407.7 11022.7 15164.1 17868 92038.1 106434.3 10 Ne 氖 2080.7 3952.3 6122 9371 12177 15238 19999.0 23069.5 115379.5 131432 11 Na 钠 495.8 4562 6910.3 9543 13354 16613 20117 25496 28932 141362 12 Mg 镁 737.7 1450.7 7732.
12、7 10542.5 13630 18020 21711 25661 31653 35458 13 Al 铝 577.5 1816.7 2744.8 11577 14842 18379 23326 27465 31853 38473 14 Si 硅 786.5 1577.1 3231.6 4355.5 16091 19805 23780 29287 33878 38726 15 P 磷 1011.8 1907 2914.1 4963.6 6273.9 21267 25431 29872 35905 40950 16 S 硫 999.6 2252 3357 4556 7004.3 8495.8 2
13、7107 31719 36621 43177 17 Cl 氯 1251.2 2298 3822 5158.6 6542 9362 11018 33604 38600 43961 18 Ar 氩 1520.6 2665.8 3931 5771 7238 8781 11995 13842 40760 46186 19 K 钾 418.8 3052 4420 5877 7975 9590 11343 14944 16963.7 48610 20 Ca 钙 589.8 1145.4 4912.4 6491 8153 10496 12270 14206 18191 20385 21 Sc 钪 633.1
14、 1235.0 2388.6 7090.6 8843 10679 13310 15250 17370 21726 22 Ti 钛 658.8 1309.8 2652.5 4174.6 9581 11533 13590 16440 18530 20833 23 V 钒 650.9 1414 2830 4507 6298.7 12363 14530 16730 19860 22240 24 Cr 铬 652.9 1590.6 2987 4743 6702 8744.9 15455 17820 20190 23580 25 Mn 锰 717.3 1509.0 3248 4940 6990 9220
15、11500 18770 21400 23960 26 Fe 铁 762.5 1561.9 2957 5290 7240 9560 12060 14580 22540 25290 27 Co 钴 760.4 1648 3232 4950 7670 9840 12440 15230 17959 26570 28 Ni 镍 737.1 1753.0 3395 5300 7339 10400 12800 15600 18600 21670 29 Cu 铜 745.5 1957.9 3555 5536 7700 9900 13400 16000 19200 22400 30 Zn 锌 906.4 1733.3 3833 5731 7970 10400 12900 16800 19600 23000 31 Ga 镓 578.8 1979.3 2963 6180 32 Ge 锗 762 1537.5 3302.1 4411 9020 33 As 砷 947.0 1798 2735 4837 60
