Tip:
Highlight text to annotate it
X
在上一集视频中我们提到了电离能
也就是原子电离一个电子所需要的能量
我们还讨论了 元素周期表中元素性质的一般变化规律
我们从周期表左下方的铯(Cs)开始
铯很嫌弃它的最外层电子
因为铯原子很大
而且铯原子的第6电子层仅有1个电子
它完全可以丢掉这个多余的电子
这样它就剩下5个填满的电子层了
所以 铯原子很容易扔掉那个电子
因此 铯元素仅需要很少的能量就能发生电离
在元素周期表的另一端
氦(He) 电离则需要较多的能量
氦原子本身是很淡定的
因为它的最外层已经填满了电子
而且氦原子很小
外层电子与质子之间的距离很小
所以它们之间的库仑力相当的大
因此需要花很多能量
才能电离s轨道中增加的那个电子
在学习其他性质的变化规律
或其他原子之间的变化趋势之前
我还想给大家拓展一下知识点:
那就是元素的第二电离能
我之所以要讲一下
是因为一些化学考试或化学标准测验中
可能会涉及这一知识点
第一电离能 就是从电中性的原子中
电离出第一个电子所需要的能量
电离出第一个电子所需要的能量
第二电离能就是
再从原子中电离出第二个电子所需的能量
为什么第二电离能那么奇葩呢
试题有时会这样出:
请指出哪些元素的第二电离能较高?
你可能就会这样分析:
大概第一电离能很高的元素第二电离能也会很高
这么说也不能算错
例如 氖(Ne)第一电离能很高
它不肯放弃它的第十个电子
因为那个电子恰好把第二电子层填满了
接着 很明显
就算你已经夺走了氖的第十个电子
再夺走它的第九个电子时
你会发现它的电子层结构和氟(F)原子的很像
所以第九个电子依然很难被夺走
所以你会说氖的第二电离能也很大
但如果你再仔细想想
第二电离能最高的元素
其实恰恰是第一电离能最低的元素
呐
这里可能较难理解
我们就拿锂(Li)作为例子吧
它的第一电离能显然很低
因为它有一个多余的电子
那个电子很容易失去
然而就在失去那个电子后 它将变得非常稳定
此时 它的电子层结构看来就和氦元素的一样
所以要夺走锂的第二个电子
那会是相当的难
所以锂元素的第二电离能很高
接着你可能会想到:
第二电离能
比第一电离能大的元素之中
哪种元素的
第一电离能
比第二电离能的大最多?
答案是:锂元素 以及它的同族元素
因为当你夺走它们的一个电子后
它的电子层结构就会变得超级稳定
所以 想要在夺走一个电子就非常难了
你也可以从这张图中看出来
显然这是表现第一电离能变化的图线
但对于锂元素来说
要夺走它的第一个电子
那是很容易的
你只需要5电子伏(5eV)就能做到
不过夺走它的第一个电子后 电子层结构变得与氦的一样
所以它的第二电离能就变得
与氦的第一电离能十分相近
不论如何 我不想让你感到困惑
不过这的确是十分有趣的一点
而且会不时出现
接下来一个知识点
常常和电离能联系在一起
那就是 元素的电负性
电负性这个概念是由莱纳斯・鲍林提出的
我对他印象深刻
他是一个著名的化学家
不过其实我印象深刻的事是
他成名是因为曾经向大众推崇
维生素C是获得永生的关键
而且他自己也服用了大量的维生素C
或许我该再考究一下这是不是讹传
我可不想糊里糊涂地就传播了鲍林的流言
我还记得我是在高中时知道的
回到正题 鲍林提出了电负性的概念
当两个原子间形成共价键时――
嗯……我貌似还没有讲什么是共价键
我已计划把它介绍给大家了
不过还要再等几集视频
共价键可以理解为
原子通过共用电子形成的连接
让我把它画出来
例如氧原子(O) 氧原子可以这么表示
就像我画的这样
我也可以把氧原子画成这样
画成这样方便我用这些多出来的电子成键
如果你把氧原子画成这样
再为它加上两个氢原子
氢原子有一个电子
它们之间会发生什么?
如果不画出共价键 如果不画出共价键
其实它们两者之间可以共用电子对
所以这个氧原子 咱把它画在中间
这几个电子 画过来
画成这样吧
我把氧原子的电子画成绿色的
氢原子的电子都画成橙色的
因为有两个氢原子参与反应
其中之一就画在这里
而另一个就画这在里
那么 会怎么样呢?
如果这个氢原子假装这对电子都是自己的
它与氧原子共享了这对电子
就像在约定 嘿!咱俩共享这个绿色电子吧
你把绿色电子借给我
我就把我的橙色电子借给你
这样我们就都能达到
稳定的电子层结构啦
氢原子因为K壳层被填满了
所以感到十分惬意
而氧原子因为L壳层达到8电子
因此也十分满足
虽然氧原子的8个电子中有两个是借来的
但它一样十分满意
这就是共价键
形成共价键的原子共用电子对
所以共价键有时也可以画成这样
这是氧原子
这几个是氧原子的孤对电子
然后像这样画一条直线
这条线暗示说
呐 线两端各有一个电子
这里有一个氧原子的电子
这里有一个氢原子的电子
它们都是被共用的
这两种画法是等价的
直线仅仅强调这里有共价键
插进了这点共价键的内容
主要是为了
能更好地介绍电负性的概念
鲍林提出电负性这一概念 是因为他认为
在一般的共价键中
电子的共享并不是平等的
一些原子能更大程度地占有共用的电子
在例子中 这个角色是氧原子
我们当然认识氧元素
氧元素在这里
它最喜欢抢占电子
它有非常高的电离能
它只可通过两种途径来改变电子层结构
变得像氖原子一样饱和而淡定
而氧原子最喜欢电子了
氢元素则吊儿郎当的
它即可以得到一个电子
拥有稳定的1s轨道
它也能失去一个电子
变得只剩一个正电荷
氢原子怎么变都行
所以氢原子表示自己很纠结
到底应该拿自己的电子怎么办呀
但因为氧原子实在是对电子很饥渴
所以氢原子只好交出它的电子了
因此 在这对氧与氢的关系中
氧的电负性更强
电负性越强
说明一种元素占有电子的能力就越强
如果你想把这种关系表示出来
它看起来有点……如果你想表示出这个共价键
这只是一个抽象的概念
或许 可以把键的这一端画得粗一点
这不是个规范的画法
我只是随便画画而已
如果你只画出这一对氢和氧
这对公用电子可能主要绕着氧原子核运动
这是一个概率的分布图
――电子较少围绕氢原子核运动
对于另一个氢原子也是一样
电子同样较少围绕氢原子运动
而较常围绕氧原子运动
电负性的思想就是 在成共价键的两个原子中
一个原子能更大程度地占有
所共享的电子对
现在 如果我们想找出
元素周期表中元素电负性的变化规律
你觉得这个规律会是怎样的?
哪些元素更渴望电子?
嗯 答案就是那些喜欢电子、
很难失去电子的
那些元素
最外电子层接近8电子
接近稳定结构的那些元素
所以电负性最强的元素
应该就在这里
它们就是卤素 特别是氟元素
因为原子越小 对电子的吸引力越大
你看 原子半径越小
电子离原子核就越近
我没有提及稀有气体的原因是
它们在一般情况下根本就不会形成共价键
稀有气体本来就很稳定了
它们也被称作“惰性气体”
“惰性”意味着它们懒得变化
在英语中与“惯性”的意思相近
物理学中 惯性是指物体保持运动状态不变的能力
保持静止或原来的运动状态
我不想扯太远
不过这就是“惰性”的本意 它们啥事也不做
而这些元素会参与反应
它们能形成共价键
当它们参与形成共价键时
它们勾引其他原子的电子
同理 当这些元素参与成键时
你懂的 这些活泼金属元素会说:电子就给你吧
我才不需要它们
没有多余的电子我更开心呢
事实上 这些元素一般是完全抛弃自己的电子
它们甚至不形成共价键
它们形成“离子键”
下一集视频里我们会谈到这种化学键
正如你所见
电负性的变化规律与第一电离能的一样
这些家伙第一电离能很大
这是因为它们太喜欢电子了
所以它们的电负性也很强
在共价键中电子会偏向它们
而这些家伙的第一电离能很低
所以想从它们那儿夺走电子很容易
这就是它们的电负性也很小的原因
所以一般在化学键中电子都不会偏向它们
关于元素 人们会提到的性质
还有金属性
我想起一堆与金属性有关的知识
如果某人提到金属性
我会联想到金属可以导电
金属有光泽 还有延展性――
当我弯曲金属的时候它不会断裂
这就是我对金属性的印象
但当人们提到化学中的金属性时
他们实际上是在讲
某种元素失去电子的容易程度
那才是金属性的概念
这很重要
如果你讨论金属
通常会提到导电性
或是延展性 或是
原子沉浸于电子海洋中
那么 金属性的变化规律是怎样的呢?
哪些原子比较倾向于失去电子呢?
在左下角这些 对吧?
越往下 原子就越大
最外层电子就离原子核越远
电子与原子核间的库仑力就越弱
所以这些电子受到的约束就越小
如果原子最外层只有一个
或者是两个电子的话
它们会说:把这多余的电子拿走吧
这样我的最外层就满电子了哈哈哈
所以这些家伙倾向于失去电子
它们也因此拥有很强的金属性
而这些想留住电子
甚至获得更多电子
它们的金属性就很弱了
事实上 它们根本就没有金属性
接着 在同族元素中 金属性的变化规律----
虽然我画的是对角线
不过基本上这规律是符合这对角线
同族元素中原子序数越大
原子的半径也就越大
电子离原子核的距离也就越远
电子与原子核间的电磁力也就越弱
或者说库仑力越来越弱
所以它们更容易失去电子
所以越往下 金属性会越大
往左金属性也一样会变得越来越大
因为当最外层只有一对电子时
你会想把它们丢掉
所以金属性与电负性的变化规律恰好相反
它是这样跑的
但由于相同的原因
这些家伙想独占电子
而这些想丢掉电子
没错吧?
所以电离能由左下至右上递增
电负性也由左下至右上递增
而金属性则由左下至右上递减
今天最后一个性质是原子半径的变化规律
其实可以利用很多种办法来测量原子的半径
但其中没有哪一种是最好的 原因很明显
我们也曾经提到过――
那就是原子半径其实不是固定的
电子有可能出现在任何地方
所以你只能画出大致的边界:
在这个范围内有90%几率能发现电子
然后将这个边界定义为原子的边界
你也可以这样定义:如果一个原子和相同原子成键
那这两个原子核间距离的一半 就是原子的半径
对吧?
比如这两个原子成键
那么这就是两个原子核的距离
你就可以定义原子的半径是这一段
所以可以有很多方式来测量原子半径
我想 你已理解原子半径的大意
它就代表着原子的大小
你可能已在脑海中构想出来了:
每一族越往下原子的半径就越大
原子的能级越来越多
电子层也越来越多
所以原子变得越来越大
其实 这个变化规律就是上面那些结论的原因
周期表中 越往下 元素的第一电离能越小
元素的电负性越弱
这都是因为 越往下元素的原子半径越大
现在 就只剩一件事不能凭直觉判断了:
由左向右变化趋势如何呢?
同周期元素由左向右电子数量越来越多
但这些电子都是填入同一电子层的 对吧?
所以 如果这是原子核
这是某个电子层 或者某个亚层
虽然它们并不都是球形的
但就假设这是某个球形的亚层吧
一个周期中由左向右
电子的数量一个接一个地增加
没错吧?
恶心的变化趋势简化后大致是这样的
一个周期中由左向右
原子核中的质子也越来越多
所以原子核带的正电荷也越来越多
所以这些电子就被拉向原子核
它们被往里拉
所以一个周期中由左向右
原子大小是递减的
你可能会问
那从一个周期最后一个和下一个周期第一个元素比呢?
下一个周期第一个元素质子更多
原子半径不会变小么?
它的质子的确更多
但是 它也同时拥有了更多的电子
而且 这个电子填入离核更远的新电子层
新周期上的元素原子半径会比上一周期的大
所以 越往下 原子半径越大
越往左 原子半径也越大
所以原子半径由左上至右下递增
不论是哪一族的元素
位于后一周期的元素的原子半径
一般比前一周期的都要大
在而同一族中的变化规律是
原子序数越大 原子半径越大
而在同一周期中的变化规律是
原子序数越大 原子半径越小
最后 希望你们喜欢这堂课
下几集我们将讨论 化学键