第二节 原子结构与元素的性质
一、原子结构与元素周期表
1.1 核外电子排布与周期的划分
1. 每一周期元素原子的价电子排布和元素种类的关系
| 周期 | \(\ce{IA}\) 族 | 0族 | 最外层最多容纳电子数 | 对应能级组 | 元素种类 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | \(\ce{1s^{1}}\) | \(\ce{1s^{2}}\) | 2 | \(\ce{1s}\) | 2 |
| 2 | \(\ce{2s^{1}}\) | \(\ce{2s^{2} 2p^{6}}\) | 8 | \(\ce{2s、2p}\) | 8 |
| 3 | \(\ce{3s^{1}}\) | \(\ce{3s^{2} 3p^{6}}\) | 8 | \(\ce{3s、3p}\) | 8 |
| 4 | \(\ce{4s^{1}}\) | \(\ce{4s^{2} 4p^{6}}\) | 8 | \(\ce{4s、3d、4p}\) | 18 |
| 5 | \(\ce{5s^{1}}\) | \(\ce{5s^{2} 5p^{6}}\) | 8 | \(\ce{5s、4d、5p}\) | 18 |
| 6 | \(\ce{6s^{1}}\) | \(\ce{6s^{2} 6p^{6}}\) | 8 | \(\ce{6s、4f、5d、6p}\) | 32 |
| 7 | \(\ce{7s^{1}}\) | 8 | 32 |
| 周期 | 能层数(n) | 每周期中各元素原子价层电子排布特点 |
|---|---|---|
| 2 | 2 | \(\ce{2s^{1} -> 2s^{2} 2p^{6}}\) |
| 3 | 3 | \(\ce{3s^{1} -> 3s^{2} 3p^{6}}\) |
| 4 | 4 | \(\ce{4s^{1} -> 3d^{1} 4s^{2} -> 3d^{10} 4s^{2} -> 4s^{2} 4p^{6}}\) |
| 5 | 5 | \(\ce{5s^{1} -> 4d^{1} 5s^{2} -> 4d^{10} 5s^{2} -> 5s^{2} 5p^{6}}\) |
| 6 | 6 | \(\ce{6s^{1} -> 5d^{1} 6s^{2} -> 5d^{10} 6s^{2} -> 6s^{2} 6p^{6}}\) |
- 除第一周期外，每一周期都是从活泼碱金属元素开始逐渐过渡到活泼非金属元素
1.2 核外电子排布与族的划分
- \(\ce{ⅠA-ⅦA}\) 族(列1~2，13~17)：同主族元素的原子价层电子数相同，价层电子数与族序数相同
- 过渡元素的价层电子排布式是：\(\ce{(n-1)d^{1-10} ns^{1-2}}\) (镧系、锕系元素除外)
- \(\ce{ⅢB-ⅦB}\) 族（列3~7）：原子的价层电子数与族序数相同（镧系、锕系元素除外），并且最外层电子数都是\(\ce{\le 2}\)
- \(\ce{ⅠB-ⅡB}\) 族（列11~12）：原子的\(\ce{(n-1)d}\) 全充满，最外层\(\ce{ns}\) 与列序数保持一致
- Ⅷ族（列8~10）：原子的价层电子排布\(\ce{(n-1)d^{6-9} n^{1-2}}\) (\(\ce{Pd为 4d^{10}}\))
- 由此可知从第四周期开始的长周期元素，比短周期元素多出的元素全部都是金属元素，因为它们的最外层电子数始终不超过2（\(\ce{Pd}\) 除外）
- 主族序号与化合价的关系：奇序奇族奇价，偶序偶族偶价
1.3 核外电子排布与元素周期表分区
- 各分区元素化学性质及原子价层电子排布的特点
| 位置 | 价层电子排布 | 元素性质特点 | |
|---|---|---|---|
| s区 | \(\ce{ⅠA、ⅡA}\) | \(\ce{n^{1-2}}\) | 除氢外，都是活泼金属元素（碱金属和碱土金属） |
| p区 | \(\ce{ⅢA-ⅦA、0族}\) | \(\ce{ns^{2} np^{1-6}}\) | 同周期主族元素，随着最外层电子数目的增加，元素的非金属性增强，金属性减弱 |
| d区 | ⅢB-ⅦB(镧系、锕系元素除外)、Ⅷ族 | \(\ce{(n-1)d^{1-9} ns^{1-2}}\) | 均为过渡金属元素，由于d轨道都未充满电子（除钯外），因此d轨道上的电子可以不同程度地参与化学键地形成 |
| ds区 | ⅠB、ⅡB | \(\ce{(n-1)d^{10} ns^{1-2}}\) | 均为过渡金属元素，（n-1）d轨道充满电子 |
| f区 | 镧系、锕系 | \(\ce{(n-2)f^{0-14} (n-1)d^{0-2} ns^{2}}\) | 因ns与（n-1）d电子数基本相同，故镧系元素的化学性质非常接近，锕系元素的化学性质也非常接近 |
二、元素周期律（原子半径、电离能、电负性、对角线）
2.1 原子半径与离子半径
1.原子半径
- 影响原子半径的第一因素是电子层数，电子层数越多，原子半径越大
（只有一个反例 \(\ce{Li}\)> \(\ce{Al}\)、 \(\ce{Si}\)、 \(\ce{P}\)、 \(\ce{S}\)、 \(\ce{Cl}\)）
- 其次在相同的电子层数时，原子序数越大，半径越小（序大径小）（可理解为序数越大，原子核对电子吸引力越强）
- 综上，原子半径最小的是“ \(\ce{H}\)”,次小的是 " \(\ce{F}\)"
2. 离子半径（原子半径规律适用于此）
- 同种元素离子半径：阳离子<中性原子<阴离子
- 电子层数相同的离子，核电荷数越大，半径越小（序大径小）
示例： \(\ce{O^{2-}}\) > \(\ce{F^{-}}\) > \(\ce{Na^{+}}\) > \(\ce{Mg^{2+}}\) > \(\ce{Al^{3+}}\)
- 带电荷相同的离子，电子层越多，半径越大
2.2 电离能
1.电离能概况
- 定义 ：气态电中性基态原子或气态基态离子失去一个电子转化为气态基态正离子所需的最低能量，常用符号\(\ce{I}\) 表示，单位\(\ce{kJ\cdot mol^{-1}}\) 。
- 第一电离能 ：气态基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需的最低能量，用符号\(\ce{I_1}\)
2. 第一电离能的周期性
- 同周期主族元素从左到右，第一电离能呈增大趋势、（同一周期，电子层相同，核电荷数增加，原子核对核外电子吸引力逐渐增强，所以第一电离能逐渐增大）
- 同主族元素，自上到下第一电离能逐渐减小（能层增加，原子半径加大，原子核对核外电子的吸引力逐渐减弱）
- 当原子核核外电子排布在能量相等的轨道时形成全充满、半充满、全空结构时，原子能量较低，该元素具有较大的第一电离能。所以对于同周期主族元素，从左到右不是一直增大的。因为ⅡA、ⅢA价层电子全充满、半充满的特性，所以电离能比旁边都要大。
第二周期：\(\ce{Li \(\ce{I_1}\) ：\(\ce{Mg >Al>Na}\) \(\ce{I_2}\) ：\(\ce{Na>Al>Mg}\) \(\ce{I_3}\) ：\(\ce{Mg>Na>Al}\) 单质跟氢气化合条件越简单，说明非金属性越强 单质跟氢气化合，产物越稳定，说明非金属性越强3.电离能的应用
2.3 电负性
1. 基本概念
2. 大小比较
3. 对角线规则
三、元素金属性、非金属性强弱判断方法
3.1 元素金属性的判断方法
3.2 元素非金属性强弱的判断方法