我們先來看電離能與電子親合能的概念,然後再分析,化學家為什麼要提出電負性的概念。
電離能
使原子失去電子變成正離子,要消耗一定的能量以克服核對電子的吸引。使某元素1 mol 基態氣態原子失去一個電子形成正一價的氣態離子時所需要的能量,叫做這種元素的第一電離能,常用符號I1表示。
I1越小的元素的原子越容易失去電子,金屬性越強。因此,I1是衡量元素金屬性的一種尺度。下表列出了周期表中元素的I1數據:
請與下面的原子半徑對比:
可見,整體上說,原子半徑越小,I1越大,這是由於原子半徑越小,原子核對外層的引力就越大。同周期過渡元素的原子半徑相差不大,所以I1也很接近。
個別元素如N、P,其半徑分別大於O、S,I1卻更大,,是因為N和P最外層滿足半滿結構,難失去電子;0族元素的原子由於滿足8電子穩定結構,I1也很大。
電子親合能
使某元素1 mol 基態氣態原子得到一個電子形成負一價的氣態離子時所釋放的能量,叫做這種元素的第一電子親合能,常用符號E1表示。個別元素的基態氣態原子在結合電子時會吸收能量,這時E1取負值(這一點是歷史原因,與我們一般表示能量的正負號相反)。
E1越大的元素越容易得到電子,非金屬性越強。因此,E1是衡量元素非金屬性的一種尺度。下表列出了周期表中元素的E1數據:
再與原子半徑對比:
可見,整體上說,原子半徑越小,E1越大,這是由於原子半徑越小,原子核對外層的引力就越大。
個別元素如O、F,由於其半徑過小,電子云密度過高,以致當原子結合一個電子形成負離子時,電子間的排斥力過大,放出的能量反而分別比S、Cl略小。N元素的E1目前沒有被實驗測得,但經理論計算,N原子在結合一個電子時會吸收能量,所以其E1為負值。
通過對元素電離能和電子親合能概念的梳理,我們可以得到如下結論:
1. 電離能是衡量元素金屬性的一種尺度
2. 電子親合能是衡量元素非金屬性的一種尺度
3. 整體上來說,半徑影響著元素的電離能和電子親合能
科學家測量出電離能和電子親合能的數據就滿足了嗎?不,科學家還要用一個概念把元素的電離能和電子親合能統合起來,這個概念就是元素的電負性!
電負性
元素的電離能和電子親合能分別從失電子能力和得電子能力兩個側面反映了元素的金屬性和非金屬性。但在形成化合物時,元素的原子經常既不失去也不得到電子,如CH4,電子只是在兩種元素間發生偏移,這就不能用電離能和電子親合能的數據進行解釋了。所以,只從電離能或電子親合能的大小來判斷元素的金屬性或非金屬性是有局限性的。為了較好地說明在化合物中原子「拉」電子的能力(不一定完全得到,也許只是偏移過來),歷史上有三位科學家,試圖將電離能和電子親合能統合為一個概念。這三個人分別是密立根、鮑林和阿萊—羅周。
密立根非常簡單粗暴,直接把I1和E1加到一起,再取個平均值,就算是把兩個概念統合為一個概念了,他把這個新的概念叫做元素的電負性,可見,密立根電負性的單位是kJ/mol。
鮑林的方法更簡單,直接把F元素的得電子能力規定為4.0(另有資料說鮑林把H元素的得電子能力規定為2.1),連個單位都沒有,其他元素的得電子能力與F對比,就可以求出各自的得電子能力。鮑林也把這個概念稱為元素的電負性。可見,電負性越大,元素的原子得電子能力越強,反之,失電子能力越強。
阿萊—羅州在鮑林和密立根各自提出電負性的20多年後,也提出了電負性的概念。他把核對外層電子的靜電引力規定為元素的電負性。核對外層電子的靜電引力的計算公式為
式中Z為核電荷數(實際是有效電荷,高中生自行忽略),r為原子半徑。阿萊—羅州本想用這個引力來表示元素的電負性,但是經過與鮑林的電負性數據對比,他發現自己計算出的這個引力數據與鮑林的電負性數據有線性關係!這讓他更加確認了自己統合電離能和電子親合能的方法是符合科學界主流認知的。為了讓自己的電負性數據與鮑林的吻合,阿萊—羅州在引力公式裡加入了兩個參數,進行了修正:
鮑林和阿萊—羅州的電負性數據一併列入下表:
由於電子親合能的實驗數據很不好測得,所以密立根的電負性概念很少被用到,高中教材採用的是鮑林的電負性概念。
經過對元素的電離能、電子親合能和電負性概念的學習,我們發現:電負性的提出是為了統合電離能和電子親合能的,以更全面地度量一種元素的金屬性或非金屬性。所以能夠用I1和E1解釋的化學現象,一般都能用電負性來解釋。
講到這裡,蘆老師不禁要對2017年的新課標II卷的一道題目產生質疑。題目節選如下:
蘆老師的質疑是:N元素的E1雖然目前實驗室無法測得,但經計算,其理論值為 -58 kJ/mol,而此題目的數據為 0。這雖然不影響對題目的解釋,不過也難免過於草率。