高二結構化學7:原子半徑

2021-02-15 中學學化學

       物質由元素組成。

       物質由 「原子/分子/離子」 構成，最終由原子構成。

       揭示元素規律的是——

    元素周期律

       展示元素規律的是——

    元素周期表

      決定元素周期律的是——

    原子半徑

一、為什麼原子半徑重要？

      原子由三種微觀粒子構成。

      1.1 原子結構

      每個原子，都包含有一定數量的

    質子(+)

    中子

    電子(-)

    (氫原子的一種核素——氕，是唯一不含中子的核素)

      這三種粒子，每一種都很重要。

      那為什麼原子半徑格外重要呢？

      1.2 對角線規則

      科學家早就發現，有一些元素的性質格外相似。

    （1）對角線規則

      人們發現，三對元素的物理性質、化學性質都格外相似。它們是

圖1、對角線規則的三對元素

      至今，科學家仍然解釋不了這個 「對角線規則」。

    （2）鑭系收縮

      另外一個現象，就是

    鑭系收縮

      

      鑭系元素（57 - 71 號共十五個元素），它們的性質非常非常相似。

    （3）原子半徑接近，性質相似

      這些元素的相似性，是由於它們——

    原子半徑十分接近

     例如，對角線規則的三對元素的原子半徑見圖 2。

圖2、三對元素的原子半徑

      尤其鋰（1.54 nm）與鎂（1.60 nm），原子半徑十分接近。

二、原子半徑的變化規律

      原子半徑的規律，先說結果，再解釋原因。

      2.1 稀有氣體的原子半徑

      同一周期元素中，稀有氣體元素的原子半徑格外大。

      所以，零族的七個元素的原子半徑

    原子序數越大

    原子半徑越大

     見圖 3 的右邊一列。

    圖3、原子半徑的變化規律

(1 號元素氫，被借到了第 VIIA 族)

      2.2 其它元素的原子半徑

      其它元素的原子半徑，變化規律如下。

    （1）其它元素的原子半徑

    越往左下

    原子半徑越大

    （2）原子半徑的變化規律

    同周期元素

    左側原子半徑最大

     (左側核電荷數小，吸引力小)

    同主族元素

    下方原子半徑最大

     (下方電子層數多，吸引力小)

    （3）誰的半徑最大？

      原子半徑最大的元素，毫無疑問是位於第七周期、第 IA 族的鹼金屬元素——

     鍅

   （Fr，87 號元素）

     原子半徑最大

      鍅元素的原子，具有最多的電子層數、同周期中核電荷數最小，原子核對核外電子的吸引力最小。

  （4）誰的半徑最小？

      如果問到 「哪個元素的原子半徑最小」？

      很多同學馬上回答：肯定是

    氫

    氫原子半徑最小

      答案是——錯的。原子半徑最小的是——

    氦

   （2 號元素）

    原子半徑最小

      與氫原子相比，氦原子具有較大的核電荷數，兩個 1s 軌道電子配對，能量降低，半徑減小。

三、原子半徑有三種

      氫原子、氦原子爭奪原子半徑最小的寶座，是它們的原子半徑不同。

      目前所發現的 118 種元素，有三種原子半徑，範德華半徑、共價半徑和金屬半徑。

      3.1 範德華半徑

      稀有氣體元素不能形成共價鍵，所以，用它們在形成固體時的半徑來表示。叫範德華半徑。

    稀有氣體元素

    範德華半徑

    （固體單質中的半徑）

      3.2 共價半徑

      非金屬元素可以形成共價鍵（單質、共價化合物），所以有共價半徑。

    非金屬元素

    共價半徑

   （形成共價鍵的半徑）

      3.3 金屬半徑

      在金屬單質形成的晶體，金屬原子半徑可以計算出來，只要知道了金屬原子的相對原子質量、體積、密度就可以。

    金屬元素

    金屬半徑

    （在金屬晶體中計算得到）

     氫原子是共價半徑，氦原子是範德華半徑。二者沒有可比性。

四、原子半徑是近似值

     三種原子半徑，其實都不太準確。

      4.1 算出範德華半徑

      比如，氦的原子半徑最小。氦是範德華半徑。

       範德華半徑，需要得到氦單質的固體。

      氦單質的凝固點

      天下第一低

      - 272°C

      差一度就是絕對零度

      第一，目前的科學技術還達不到這麼低的溫度；

      第二，也沒有必要為了測定氦原子的半徑，去製造那麼低的溫度。

      所以，範德華半徑是 「算」 出來的。

      4.2 平均出共價半徑

      每個原子都被無休止地運動著的 「電子云」 所包圍。

      例如，圖 4 是氫原子的示意圖。

圖4、氫原子的原子半徑

      不斷運動的電子，使原子的邊界很難判定。

      於是人們規定：把 90% 的電子軌跡包括進來的那個範圍，作為原子的尺寸邊界。

       可是，問題又來了，原子在不同的分子中，半徑不相同。怎麼辦？

      人們就平均一下——

    氫原子

    平均半徑為

    0.037 nm

    4.3 理想化的金屬半徑

      金屬單質都是密堆積。

      假定金屬單質都是完美的晶體，沒有斷層、沒有雜原子、沒有褶皺、沒有變形……，然後一算，金屬半徑就出來了。

      但是誰都知道，世界上——

    本來就

    沒有完美的物質

    只有

    完美

    這兩個字

      金屬半徑是理想化的原子半徑。

      相比較而言，

    金屬半徑

    反而比較準確

      金屬半徑比稀有氣體原子的範德華半徑、比非金屬原子平均的共價半徑更準確一些。

結      語

     原子半徑雖然不太準確，卻推導出了準確的元素周期律。

    利用不太準確的原子半徑的變化規律，對元素周期律給予了很完美的解釋，這也是科學的神奇了。

      下節課是《元素周期律》。

作者簡介：

      趙老師，男，副教授。

      中科院催化化學博士、結構化學碩士，吉林大學結構化學學士。曾任日本北海道大學有機化學客座研究員、馬拉西亞馬尼拉大學英語化學老師，

     從2008年至今，在北京做高中化學、競賽化學、英語化學、初中化學教師，諳熟高考化學考點、化學競賽考點，高中化學、競賽化學、AP化學、ib化學、A-Level化學、初中化學教學具有豐富經驗。

                           (衷心感謝您的光臨)

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