影响卤素的能量因素分析3.doc

影响卤素单质稳定性的因素分析 学生姓名 指导老师 内容摘要 卤素是中学化学的重要内容 而有关物质稳定性问题也是中 学化学常见的问题 但现行的教材却对稳定性的概念未做明确阐述 并且在中 学化学学习中是通过一些反应和现象来判断卤素单质的稳定性的 难道只能通 过这些判断吗 还有没有其它的判断方法呢 因此提出问题影响卤素单质稳定 性的因素 本文首先介绍了卤素的定义及其性质 再者讲述稳定性的一些知识 然后系统的从键能 电离能 电子亲和能 分子间作用力和环境介质等几个方 面具体分析了各自的一些概念和相关性质 得到卤素的键能 电离能 电子亲 和能的大小及其如何影响它的稳定性 分子间作用力和环境介质对卤素稳定性 的影响 最后得到结论卤素单质的稳定性从 F2 I2依次增加的 关键词 卤素 稳定性 影响因素 Affect the stability of halogen elemental factor analysis Abstract Halogen is the important content in the middle school chemistry learning in the college entrance examination also accounted for a significant role And the relevant material stability problem is also high school chemistry common problem but the current teaching materials to the concept of stability but do not make explicit And in the middle school chemistry study is through some reaction and phenomena to judge the stability of the elemental halogen is only through these judgment But is there any other judgment method This article puts forward problems affected the stability of halogen elemental factors This paper firstly introduces the definition and properties of halogen moreover tells some knowledge of the stability Then the system from key can ionization energy electronic and can molecular inter atomic forces and environmental media several aspects such as specific analyses each some concept and the related properties get the key can halogen ionization energy electronic affinity and how the size that can influence its stability Molecular inter atomic forces and environmental media on the effect on the stability of the halogen The final conclusion halogen stability of elemental from F2 toI2 and in turn increase Key words Halogen stability Influence factors 目录 1 问题的提出 4 2 卤族元素 4 2 1 卤族元素性质 4 2 1 1 卤素单质物理性质 4 2 1 2 卤素化学性质 5 2 2 高考中卤族元素的重要性 6 3 物质稳定性 6 4 影响卤素稳定性因素 7 4 1 键能 7 4 1 1 共价键 8 4 1 2 分子中化学键的强弱与分子的化学结构稳定性 8 4 1 3 卤素单质的化学键能 10 4 2 电离能 11 4 2 1 电离能 I1与原子序数 Z 关系 12 4 2 2 卤素的电离能 13 4 3 电子亲和能 13 4 3 1 电子亲和能 A1与原子序数 Z 的关系 14 4 3 2 卤素的电子亲和能 15 4 4 分子间作用力 15 4 4 1 范德华力 16 4 4 2 卤素的分子间作用力 17 4 5 环境介质 18 4 5 1 热稳定性 18 4 5 2 介质稳定性 18 5 总结 19 1 问题的提出问题的提出 在新人教版化学必修二第一章第一节元素周期表的第二课时教材中讲述了 卤族元素 从而揭示元素的性质与原子结构的关系 在卤族元素的学习中 主 要从其原子结构 物理性质 化学性质等来学习 并做出了如下总结 在元素 周期表中 同主族元素从上到下原子核外电子层数依次增多 原子半径逐渐增 大 得点子能力逐渐减弱 所以 非金属性逐渐减弱 也即卤素单质活泼性逐 渐减弱 卤素单质稳定性逐渐增强 在教材中只是根据卤素单质与氢气反应的 剧烈程度和生成氢化物的稳定性来判断卤素的性质 以及相互间的置换反应的 现象来得出结论的 或者根据元素周期律的变化来判断 那么还有什么方法或 者从哪些因素也可以判断卤素单质的稳定性呢 因此提出问题卤素稳定性 活 泼性 的强弱顺序可以由哪些因素决定的呢 这是作为一名教师应该了解并掌 握的知识 2 卤族元素卤族元素 卤族元素的定义为 第 A 主族的所有元素包括包括氟 F 氯 Cl 溴 Br 碘 I 砹 At 简称卤素 砹元素为放射性元素 暂不做探究 它们在自然界都以典型的盐类存在 是成盐元素 卤族元素原子结构有一 个共同点就是最外层电子均为 7 个 导致卤素的一些相似的性质 而从 F2 I2 核电荷数依次增多 核外电子层数依次增多 原子半径逐渐增大 导致卤素性 质的一些递变性 这都是因为元素的结构决定了其性质 2 1 卤族元素性质卤族元素性质 2 1 1 卤素单质物理性质 卤素的单质都是双原子分子 它们的物理性质的改变都是很有规律的 见 下面表 1 为卤素单质的一些基本物理性质 表 1 卤素单质物理性质 单质颜色和状态密度 熔点 沸点 溶解度 100 水 F2淡黄绿色气体1 69g L 219 6 188 1与水反应 Cl2黄绿色气体3 124 g L 101 34 6226cm3 Br2深棕色液体3 119 g cm37 258 784 16g I2紫黑色固体4 93g cm3113 5184 40 029g 规律为随着分子量的增大 卤素分子间的色散力逐渐增强 颜色变深 它 们的熔点 沸点 密度 原子体积也依次递增 2 1 2 卤素化学性质 相似性 均能与 H2 发生反应生成相应卤化氢 见下表2 卤化氢 均能溶于水 形成无氧酸 表 2 卤素单质与 H2 反应 名称反应条件方程式氢化物稳定性 F2冷暗处爆炸 H2 F2 2HFHF 很稳定 Cl2光照或点燃H2 Cl2 2HClHCl 稳定 Br2高温H2 Br2 2HBrHBr 较不稳定 I2高温 持续加热缓 慢进行 H2 I2 2HIHI 很不稳定 随着核电荷数的增加 卤素单质与H2反应变化为从 F2 I2 剧烈程度 逐渐减弱 生成 HX 的稳定性也逐渐减弱 均能与水反应生成相应的氢卤酸和次卤酸 氟除外 2F2 g 2H2O l 4HF aq O2 g X2 g H2O l HX aq HXO aq X 表示 Cl Br I 与金属反应 如 3Cl2 2Fe 2FeCl3 与碱反应 如 Br2 2NaOH NaBr NaBrO H2O 差异性 卤素单质相互间的置换反应 见下表3 表 3 卤素单质间置换反应 实验现象化学方程式 饱和氯水与 NaBr 溶液溶液由无色变为橙色 滴加 CCl4后分两层 上层无色 下层橙黄色 Cl2 2NaB 2NaCl Br2 饱和氯水与 KI 溶液 溶液由无色变为褐色 滴加 CCl4后分两层 上层无色 下层紫红色 Cl2 2KI 2KCl I2 溴水与 KI 溶液 溶液由无色变为褐色 滴加 CCl4后分两层 上层无色 下层紫红色 Br2 2KI 2KBr I2 根据实验 能得出从 Cl2 I2的氧化性依次减弱的结论 碘跟淀粉的反应 I2 淀粉一变蓝色 化合态的碘和其它卤素单质均不能使淀 粉显蓝色 这是碘的特性 也是量变引起质变 卤素性质递变的必然结果 刘 艳丽 卤素单质的化学性质 J 化学教学 1996 年 5 33 34 2 2 高考中卤族元素的重要性高考中卤族元素的重要性 卤族元素一直是化学高考中的热点以及重点 近五年来 考查的知识 点主要有 一是卤素及其化合物的性质 二是卤素及其化合物的实验及综 合应用 考查的能力层级 高考试题对本专题能力点的考查以了解和综合应 用为主 还涉及分析 解决问题的能力 试题较难 考查的形式 一是与金 属元素及其化合物性质与应用相结合 二生产实际为背景考查卤素及其化合 物的性质与应用 三是以实验设计为中心考查分析问题 解决实际问题的能 力 毫无意外的 在 2012 年四川化学高考考试大纲中 在考试范围与要求 的必考内容中 常见化合物及其应用 2 常见废金属元素 如 H C N Si S Cl 等 了解常见非金属元素单质及其化合物的主要 性质及其应用 了解常见非金属元素单质及其化合物对环境质量的影响 而卤族元素是中学化学元素中非金属元素的典型代表 正因如此 卤族元 素在高考中是占有一定地 位的 几乎成了必考内容 因此学生应该好好掌握 而教师更应该掌握它的 本质和特点 3 物质稳定性物质稳定性 在一定条件 温度 压强 环境介质等 下 物质保持原有的组成 结构 不变 我们说该物质在这特定条件下是稳定的 否则是不稳定的 物质稳定性的大小实际上是指物质发生化学变化 反应 的难易 稳定性 大小也可用活泼性大小来表述 稳定性大的物质其活泼性小 反之亦然 由于 物质发生化学反应可分为无其它物质参与仅自身起变化的反应和有其它物质参 与的反应这两大类 所以 物质的稳定性也相应地分为二类 不难看出 第一 类反应的难易完全由该物质本身的性质决定 其难易程度通常称为该物质的对 热稳定性大小 第二类反应的难易则不仅与该物质本身的性质有关 还与参与 反应的其它物质的性质有关 其难易程度可称为该物质的非对热稳定性大小 显然 对于物质的对热稳定性 不同的物质具有明确的可比性 而对于物质的 非对热稳定性不同的物质在进行比较时 只有在当参与反应的其它物质相同时 才有明确的意义 例如 当我们说 H2O 的热稳定性比 H2S 大时 其意义是十分 明确的 若说 H2O 的稳定性比 H2S 大 则意义不够明确 只能理解为在大多数 情况下 H2O 比 H2S 活泼 仍以 H2O 和 H2S 为例 H2O 可与 P2O5反应 而 H2S 却不可 因此就对 P2O5的稳定性而言 H2O 的稳定性不如 H2S 但在多数情况 下 H2O 确比 H2S 稳定 邱雪花 黄应平 关于物质稳定性的教学探讨 由 Na2O2 与 Na2O 稳定性引起的思考 J 龙岩师专学报 2003 6 21 129 131 物质的稳定性概念曾被广泛使用 通常认为它是物质在一定条件下维持其 性质和状态不发生变化的能力 荣国斌 高等有机化学 M 上海 华东理工大学 出版社 1994 249 人们往往由此认为在化学反应中越不稳定的物质越容易 发生反应 反应活性越高 越稳定的物质越缺乏反应活性 在反应中越容易生成 进而将化学反应看成是由较不稳定的物质转化为较稳定物质的过程 4 影响卤素稳定性因素影响卤素稳定性因素 原子间通过共用电子对所形成的相互作用 叫做共价键 宋心琦 化学 2 必修 第 3 版 北京 人民教育出版社 2008 22 而对于相同类型的共价键来说 键能越大物质越稳定即活泼性越差 相反 键能越小对应的物质稳定性越差即 越活泼 这似乎是既定的事实 那么按照这个理论的话 对于卤素 X X 的 键能应该按照从 F2 I2稳定性由弱到强的顺序依次增大 但是从多本书上的卤 素单质的键能却呈现出表 4 所示的规律 化学选修 3 其他书上数据与表 4 的数据基本上是相同的 相差不超过两个单位 表 4 卤素单质共价键键能 计量单位 kJ mol 1 F FCl ClBr BrI I 键能157242 7193 7152 7 由上面表 4 发现同类物质的稳定性强弱与键能大小并没有呈现正比例的关 系的 那是由什么原因引起的呢 导致卤素稳定性呈现如此强弱关系的还有其 它的一些因素 那么具体有哪些因素会对卤素的稳定性带来影响 从这些因素 是如何来衡量物质的稳定性 下面就从键能 电离能 电子亲和能 分子间作 用力的内部因素和外界因素环境等几个反面来进行具体分析 4 1 键能键能 在学习和研究物理 化学 生命 材料 表面 能源 资源 环境 太空 自然学科的过程中 我们都面临一个共同的问题 即物质的化学结构与性质 虽然目前已知的化学元素只有 100 余种 但是在美国化学会等级和确认了的无 机和有机化合物的数目 却已经超过 3300 万 2008CAS 而且这数字每天都 在增加 我们能否成为 事前诸葛亮 来预测化合物 材料或物质的性质 答案是 能 1803 年 Dalton 提出所有物质都是由原子构成的假设 单原子又是怎样形 成分子及化合物的呢 早起 科学家假设原子和原子之间由一个神秘的钩相互 钩住 这种设想一直延续到今天 现代的化学键的 键 字任然保留着原始 钩 的意思 现在 化学 钩 键 的本质已经弄清楚了 原子或原子团 之间的相互作用力就是化学键 通常用短线 表示 可分为共价键 离子 键 金属键 氢键 静电相互作用 van derWaals 力和表面键等 通过化学键 O O O O O O O O O O O O O O O O O O N N N N N N N N N N N N N N N N N N 原子或原子团之间能够稳定的聚集在一起 形成各种各样的分子 超分子 络合物或簇合物 cluster 当我们设计具有特定性质的化合物 材料或物质 时 必须掌握有关化学键的基本知识 罗渝然 郭庆祥 俞书勤 张先满 现代科 学中的化学键能极其广泛应用 M 安徽 中国科学技术大学出版社 2008 1 5 而我们主要又是要讨论卤素单质的稳定性 卤素单质均为双原子分子 彼 此之间形成的是共价键 因此主要讨论共价键及其键能 4 1 1 共价键 1916 年美国化学家 G N Lewis 为了说明由同种元素的原子组成的单子分子 的形成和由电负性相近元素的原子形成的稳定分子的形成 提出了共价键理论 Lewis 认为 同种原子之间以及电负性相近的原子之间可以通过共用电子对形 成分子 通过共用电子对形成的化学键称为共价键 covalent bond 形成的 分子称为共价分子 在分子中 每个原子均应具有稳定的稀有气体原子的 8 电 子外层电子构型 He 为 2 电子 习惯上称为 八隅体规则 分子中原子间 不是通过电子的转移 而是通过共用一对或几对电子来实现 8 电子稳定构型的 每一个共价分子都有一种稳定的结构形式 称为 Lewis 结构式 宋天佑 程鹏 王杏乔 无机化学上册 M 北京 高等教育出版社 2004 140 144163 165 Lewis 结构式中 用小黑点表示电子 为了表示方便 共用一对电子通常用一 短信代表 即表示形成一个单键 而对卤素单质来说均是共用一对电子 因此 Lewis 结构式依次为 F F Cl Cl Br Br I I 4 1 2 分子中化学键的强弱与分子的化学结构稳定性 空气中氧气和氮气各占 20 95 和 78 08 在常温和常压下 我们能否利 用这些氧气和氮气合成链状或环状的 O3 O4 O5 O6 N3 N4 N5 N6 等 分子 链状 除了链状 O3 臭氧 之外 其余化学结构物种在常温气相中都是不稳定的 寿 命极短 是人们臆想的物种 利用键能数据库 2007LUO 与化学动力学知识 我们可以推测上面那些化学结构物种的寿命 D O2 O2 0 8 kJ mol 1 van der Waals 络合物 寿命极短 D N2 N2 6 6 kJ mol 1 van der Waals 络合物 寿命极短 D 链状 O O2 臭氧 106 6 kJ mol 1 自由基 相对稳定 D 链状 N N2 26 1 7 7 kJ mol 1 自由基 寿命短 设想 H2O 可以形成簇合物或氢键合物 H2O n n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 的确 液体水中含有大量这类氢键合物 中性 H2O 二聚体之间的 氢 键能已经测得 2007LUO D H2O H2O 21 3 2 1 kJ mol 1 人们预测 氢键合物的寿命非常短 大约为 1 20 ps 皮秒 10 12秒 这就 是说 氢键合物的寿命比它们可能的转动周期 100 ps 还短 在微观图像 上 这些氢键合物还没有完成一次转动 就离解了 所以 这些氢键合物一定 是在离解 聚集 再离解 再聚集 快速互相转化的 及其复杂的动态平衡之 中 2001KEY SAY 2005MEN 罗渝然 郭庆祥 俞书勤 张先满 现代科学中 的化学键能极其广泛应用 M 安徽 中国科学技术大学出版社 2008 1 5 对于 1981LUO 键能仅为 5 kcal mol 1 1 kcal 4 148 kJ 的气相物种 在室温时 是热力学不稳定的 分子中化学键的强弱可用原来度量分子的化学 稳定性的高低 这一观点的到热力学第二定律的强力支持 多原子分子中含有多个化学键 每个化学键的键能不一定相同 有强弱之 分 对于单分子热反应 在通常情况下 分子中的弱键最易断裂 引发出一系 列后续的化学反应 最后形成比较强的键 更稳定的分子 绝大部分化学反应 都包括 破 弱键 立 新键的过程 所以 在判断化合物和材料的稳定性 时 我们经常需要寻找分子中弱键和最弱键在什么位置 表 5 罗渝然 郭庆祥 俞 书勤 张先满 现代科学中的化学键能极其广泛应用 M 安徽 中国科学技术大学 出版社 008 1 5 给出了一些常见化合物和材料内最弱键键能值变化范围 表 5 一些常见化合物和材料中的最弱键能值变化范围 计量单位 kcal mol 1 最弱键能的范围 in kcal mol 1 化学键强弱列子 130超强健耐高温高热材料 如太空飞船表面材料 现实存在的化合物中 化学键能总和一定是正值 它表示该化学键能断裂 时 需要外界提供能量 键能值越高 表示它们需要吸收越多的能量 才能断 裂 反之 键能值越低 表示断裂该键所需的能量就越少 严格地讲 化学键 能为负值的化合物 它们只能瞬间存在 寿命极短 纳秒 皮秒 飞秒或更短 很快转化成其它的分子 是不能够稳定存在的 4 1 3 卤素单质的化学键能 分子中的化学键时分子的热化学性质之一 热化学 热力学的标准条件是 25 298 15K 1 个大气压 101 325 kPa 化学键 R X 均相离解的键能 D R X 被定义为 1 mol 理想气体 RX 中 R X 键发生均相离解时的焓变 R X R X D R X BDE R X DHo R X fHo R fHo X fHo RX 这里 RX 是母体分子 R 和 X 是自由基或原子 fHo R fHo X 和 fHo RX 分别是 R X 和 RX 为理想气体时 热力学的标准条件下的生成热 焓 在科学文献里 广泛流传一种近似的观点 即键能值越高 表示分子的化 学稳定性越高 键能值越低 表示分子的化学稳定性越差 在化学热力学里 严格描述分子化学稳定性的物理量应当是键离解反应的 Gibbs 自由能变化 G 或该键离解反应的平衡常数 K G H T S RTln K Log K G 2 303RT 科学家发现 1976BEN 键离解反应熵变 S 的变化范围比较小 从 84 到 167 J K 1mol 1之间 在 298 12K 时 T S 的贡献为 25 到 50 kJ mol 1 之间 键离 解能反应的 H 即键能 的变化范围很大 从 42 到 420 kJ mol 1 之间 换 句话说 H 即键能 的变化 基本上控制了键离解能反应的 G 的变化 所 以 广泛流行的近似观点是可靠的 但是对于表 4 中的键能数据 表 4 卤素单质共价键键能 计量单位 kJ mol 1 F FCl ClBr BrI I 键能157242 7193 7152 7 为什么出现这种结果 原因是化学键 R X 均相离解的键能 D R X 被 定义为 1 mol 理想气体 RX 中 R X 键发生均相离解时的焓变 明确说明了是 理想气体 所以按照观点键能越高 分子稳定性越高 卤素单质理想气体的稳 定性顺序依次为 Cl2 Br2 F2 I2 但是在常温常压下 溴单质是以液态形式存 在 而碘单质是以固态形式存在那么液态溴的则 1 mol Br2中 Br Br 键发生均 相离解时 若 Br Br 为气态 而 Br2式为液态时 焓变为 D Br Br fHo Br fHo Br fHo Br2 111 884 111 884 0 223 8 kJ mol 1 1 mol I2中 I I 键发生均相离解时 若 I I 为气态 而 I2式为固态时 焓变为 D I I fHo I fHo I fHo I2 106 838 106 838 0 213 7 kJ mol 1 是因为键能高是它本身离解的能力 而化学反应除了分子解离过程 还有分子 结合过程 虽然氟的解离需要的能量比较高 更稳定 但是它形成新的化学 键释放的能量更高 因此总的表现就是其化学活性更高 氟是第二周期元素 只有 1s 2s 2p 轨道成键 而氯有 3d 空轨道 未成键的 p 电子能填入 d 轨道形成 p d 反馈键 所以实际键级大于 1 而碘的 p d 成键能 力太弱 半径又大 所以键能比较小 4 2 电离能电离能 基态气态原子失去电子成为带一个正电荷的气态正离子所需要的能量为第 一电离能 用 I1表示 由 1 价气态正离子失去电子成为 2 价气态正离子所需 的能量叫第二电离能 用 I2表示 依次类推还有第三电离能 I3 第四电离能 I4 等等 随着原子逐步失去电子所形成的离子正电荷数愈来愈多 失去电子变得 愈来愈难 因此 同一元素的原子的各级电离能依次增大 即 I1 I2 I3 I4 例如 Li g e Li g I1 520 2 kJ mol 1 Li g e Li2 g I2 7298 1 kJ mol 1 Li2 g e Li3 g I3 11815 kJ mol 1 通常讲的电离能 若不加以注明 指的是第一电离能 表 6 大连理工大 学无机化学教研室 无机化学 M 第五版 北京 高等教育出版社 2008 251 257 流出了周期中各元素的第一电离能 表 6 元素的第一电离能 I1 计量单位 kJ mol 1 H 1312 0 He 2372 3 Li 520 2 Be 899 5 B 800 6 C 1086 5 N 1402 3 O 1313 9 F 1681 0 Ne 2080 7 Na 495 8 Mg 737 7 Al 577 5 Si 786 5 P 1011 8 S 999 6 Cl 1251 2 Ar 1520 6 K 418 8 Ca 589 8 Sc 633 0 Ti 658 8 V 650 9 Cr 652 9 Mn 717 3 Fe 762 5 Co 760 4 Ni 737 1 Cu 745 5 Zn 906 4 Ga 578 8 Ge 762 2 As 944 4 Se 941 0 Br 1139 9 Kr 1350 8 Rb 403 0 Sr 549 5 Y 599 9 Zr 640 1 Nb 652 1 Mo 684 3 Tc 702 4 Ru 710 2 Rh 719 7 Rd 804 4 Ag 731 0 Cd 867 8 In 558 3 Sn 708 6 Sb 830 6 Te 869 3 I 1008 4 Xe 1170 4 Cs 375 7 Ba 502 9 Lu 523 5 Hf 659 0 Ta 728 4 W 758 8 Re 755 8 Os 814 2 Ir 865 2 Pt 864 4 Au 890 1 Hg 1007 1 Tl 589 4 Pb 715 6 Bi 703 0 Po 812 1 AtRn 1037 1 Fr 392 0 Ra 509 3 Lr 电离能的大小反应了原子失去电子的难易程度 电离能愈大 原子失去电 子愈难 原子失去电子时需要吸收的能量愈大 反之 电离能愈小 原子失去 电子愈容易 原子失去电子需要吸收的能量愈小 吴周新 林强 牛成 等 能量 化学 M 北京 化学工业出版社 2011 131 134 电离能的数值大小主要取 决于原子的有效核电荷 原子半径以及原子的电子构型 张太平 邵文松 元素 的电离能 电子亲合能 电负性 电极电势四者的联系与区别 J 高等函授学 报 自然科学报 2001 14 6 15 17 一般来说 原子半径越小 有效电荷 越多 原子核对外层电子的吸引力越强 越不易失去电子 电离能越大 4 2 1 电离能 I1与原子序数 Z 关系 电离能中第一电离能 I1最重要 对元素周期性规律反映最明显 图 1 周 公度 结构和物性 M 第二版 北京 高等教育出版社 2001 20 揭示出电离能 I1与原子序数 Z 的关系 由 I1数据可见 图 1 第一电离能 I1 和原子序数 Z 的关系 在 I1 Z 的图上 稀有气体的电离能总是处于极大值 碱金属处于极 小值 这是由于稀有气体的原子形成完满电子层 从完满电子层上移去一个电 子较困难 碱金属只有一个电子在完满电子层之外 极易失去 除过渡元素外 同一周期元素的 I1 基本上随着原子序数的增加而增 加 例如 H He Li Ne Na Ar K Kr Rb Xe 等 而同一族元素随原 子序数的增加 I1逐渐减小 因此 周期表左下角的碱金属的第一电离能最小 最容易丢失电子成正电子 金属性最强 而周期表右上角的稀有气体元素的 I1 最大 最不易丢失电子 过渡金属元素的 I1不甚规则地随原子序数增加 对于同一周期的过渡 元素 最外层 ns 相同 当核增加一正电荷 在 n 1 d 轨道增加一个电子 它大部分在 ns 之内 故随核电荷增加 有效核电荷增加不多 同一周期中 I1有些高低变化 如由 Li Ne 并非单调上升 Be N Ne 都较相邻两元素为高 这是由于能量相同的轨道电子填充出现全满 半满或全空等情况 4 2 2 卤素的电离能 元素的第一电离能大 表示其原子越不易失去电子 即非金属性越强 根据 表 3 绘制出表 7 卤素的第一电离能 表 7 卤素的第一电离能 计量单位 kJ mol 1 FClBrI 电离能1681 01251 21139 91008 4 由上面的数据可知从 F I 的第一电离能逐渐减小 因此非金属性依次降低 4 3 电子亲和能电子亲和能 元素的气态原子在基态时获得一个电子成为 1 价气态负离子所放出的能 称电子亲和能 A 例如 F g e F g A1 328 kJ mol 1 电子亲和能也有第一 第二电子亲和能之分 如果不加以注明 都是指第 一电子亲和能 当 1 价离子获得电子时 要克服负电荷之间的排斥力 因此 要吸收能量 例如 O g e O g A1 141 0 kJ mol 1 O g e O2 g A2 844 2 kJ mol 1 表 8 大连理工大学无机化学教研室 无机化学 M 第五版 北京 高等教育出 版社 2008 251 257 列出主族元素的电子亲和能 表 8 主族元素的电子亲和能 A 计量单位 kJ mol 1 H 72 7 He 48 2 Li 59 6 Be 48 2 B 26 7 C 121 9 N 6 75 O 141 0 F 328 0 Ne 115 8 Na 52 9 Mg 38 6 Al 42 5 Si 133 6 P 72 1 S 200 4 Cl 349 0 Ar 96 5 K 48 4 Ca 28 9 Ga 28 9 Ge 115 6 As 78 2 Se 195 0 Br 324 7 Kr 96 5 Rb 46 9 Sr 28 9 In 28 9 Sn 115 8 Sb 103 2 Te 190 2 I 295 1 Xe 77 2 一般元素的第一电子亲和能为正值 表示得到一个电子形成负离子时放出 能量 也有的元素 A1为负值 表示得到电子时要吸收能量 这说明该元素的原 子变成负离子非常困难 元素的第二电离能一般为负值 说明由负一价的离子 变成负二价的离子也要吸收热量 非金属原子的第一电子亲和能总是负值 而金属原子元素的电子亲和能一 般为较小负值或正值 碱土金属电子亲和能因它们原子半径达且具有 ns 电子 层结构不易与电子结合 稀有气体其原子具有 ns np 6的稳定结构 更不易结合 电子 因而电子亲和能为正值 而出现 N 元素这个特殊的 是因为其外层电子 结构为 ns np 3 属于半充满结构 结构比较稳定体系能量处于最低状态 得点 子的能力较小 且氮原子半径小 电子间排斥力大 所以吸收的能量略大于放 出的能量 4 3 1 电子亲和能 A1与原子序数 Z 的关系 电子亲和能的大小主要取决于原子的有效核电荷 原子半径和原子的电子 层结构 图 2 许林 郭俊 电子亲和能周期性浅议 J 大学化学 1993 8 4 34 是原子的电子亲和能随原子序数呈现周期性变化的图示 图 2 第一电子亲和能 A1 随原子序数 Z 的的周期性变化 同一周期 从左到右 原子的有效核电荷增大 原子半径逐渐减小 同时由于最外层电子数增多 趋向于结合电子行程 8 电子稳定结构 元素的电 子亲和能的负值在增大 卤素的电子亲和能呈现最大负值 碱土金属因为半径 大 且有 ns 电子层结构难以结合电子 电子亲和能为正值 稀有气体具有 8 电子稳定结构 更难以结合电子 因此其电子亲和能为最大正值 同一主族 从上到下规律不是那么明显 大部分呈现电子亲和能复制 变小的趋势 部分呈现相反趋势 4 3 2 卤素的电子亲和能 表 9 列出了卤素的电子亲和能数据 表 9 卤素的第一电子亲和能 计量单位 kJ mol 1 FClBrI 电子亲和能 328 0 349 0 324 7 295 1 由表 5 可以看出并不是按照从 F I 的顺序电子亲和能负值变小变化的 电 子亲和能的最大负值不是出现在 F 原子 而是 Cl 原子 出现这种情况的原因是 氟原子半径过小 电子云密度过高 以致当原子结合一个电子形成负离子时 由于电子间的相互排斥使放出的能量减小 而氯原子半径较大 接受电子时相 互间的排斥力较小 所以在同主族中电子亲和能是最大的 电子亲和能的数值一般较电离能小一个数量级 而且已知的元素的电子亲 和能数据较少 测定的准确性也差 所以其重要性不如元素的电离能 4 4 分子间作用力分子间作用力 分子间作用力是除共价键 离子键和金属件外基团间和分子间相互作用力 的总称 它主要包括 离子或荷电基团 偶极子 诱导偶极子等之间的相互作 用力 氢键 疏水基团相互作用力及非键电子排斥力等 大多数分子的分子间 作用能在 10 kJ mol 1以下 比通常的共价键键能小一二个数量级 作用范围 一般在 0 3 0 5nm 与其它力相比属于短程力 除氢键外 一般无饱和性和方 向性 现将离子或荷电基团 偶极子及诱导偶极子等之间相互作用的能量与距 离间有明确函数关系者列于表 10 段连运 周公度 决定物质性质的一种重要因 素 分子间作用力 J 大学化学 1989 4 2 1 表 10 一些分子间作用能与距离的关系 作用力类型能量与距离的关系 荷电基团静电作用1 r 离子 偶极子1 r2 离子 诱导偶极子1 r4 偶极子 偶极子1 r6 偶极子 诱导偶极子1 r6 诱导偶极子 诱导偶极子1 r6 非键排斥1 r9 1 r12 表中与 1 r6成正比例的三种作用力通常称为范德华力 它是人们在研究气态行 为时 发现在气相分子之间存在吸引和排斥的作用 用范德华方程以矫正实际 气体对理想气体的偏离时提出来的 4 4 1 范德华力 范德华力产生于分子或原子之间的静电相互作用 其能量计算的经验 方程为 U B r 12 A r 6 对于 2 个碳原子间 其参数值为 B 11 5 10 6 kJnm12 mol A 5 96 10 3 kJnm6 mol 不同原子间 A B 有不同取值 当两原子彼此紧密靠近电子云相互重叠时 发生强烈排斥 排斥力与距离 12 次方成反比 图 3 中低点是范德华力维持的距离作用力最大 称范德华 半径 范德华力又可以分为三种作用力 静电力 诱导力和色散力 图 3 能量随分子间距离变化图 静电力即偶极子 偶极子间作用力 由于极性分子的电性分布不均匀 一端带正电 一端带负电 形成偶极 因此 当两个极性分子相互接近时 由于它们偶极的同极相斥 异极相吸 两 个分子必将发生相对转动 这种偶极子的互相转动 就使偶极子的相反的极 相对 叫做 取向 这时由于相反的极相距较近 同极相距较远 结果引力 大于斥力 两个分子靠近 当接近到一定距离之后 斥力与引力达到相对平衡 这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力 叫做取向力 取向力与分 子的偶极矩平方成正比 即分子的极性越大 取向力越大 取向力与绝对温度 0 6 22 4 1 3 21 2 r k E 色 成反比 温度越高 取向力就越弱关相互作用随着 1 r6 而变化 其公式为 式中 1 2 为两个分子的偶极 矩 r 为分子质心间的距离 k 为 Boltzmann 常数 T 为热力学温度 0为真空电容率 负值表示能量降低 诱导力即偶极子 诱导偶极子间作用力 由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响 使非极性分子 电子云变形 即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极 结果使非极性 分子的电子云与原子核发生相对位移 本来非极性分子中的正 负电荷重 心是重合的 相对位移后就不再重合 使非极性分子产生了偶极 这种电荷 重心的相对位移叫做 变形 因变形而产生的偶极 叫做诱导偶极 以区 别于极性分子 中原有的固有偶极 诱导偶极和固有偶极就相互吸引 这种由 于诱导偶极而产生的作用力 叫做诱导力 在极性分子和极性分子之间 除 了取向力外 由于极性分子的相互影响 每个分子也会发生变形 产生诱导 偶极 其结果使分子的偶极距增大 既具有取向力又具有诱导力 在阳离 子和阴离子之间也会出现诱导力 诱导力与极性分子偶极矩的平方成正比 诱导力与被诱导分子的变形性成正比 通常分子中各原子核的外层电子壳越 大 含重原子越多 它在外来静电力作用下越容易变形 相互作用随着 1 r6 而变化 诱导力与温度无关 其公式 式中 2是分子 2 的极化率 1是分子 1 的永久偶极矩 r 和 0的意义同上 色散力即诱导偶极子 诱导偶极子间作用力 是分子的瞬时偶极间的作用力 即由于电子的运动 瞬间电子的位置对 原子核是不对称的 也就是说正电荷重心和负电荷重心发生瞬时的不重合 从而产生瞬时偶极 色散力和相互作用分子的变形性有关 变形性越大 一 般分子量愈大 变形性愈大 色散力越大 色散力和相互作用分子的电离势 有关 分子的电离势越低 分子内所含的电子数愈多 色散力越大 色散 力的相互作用随着 1 r6 而变化 其公式为 r E 6 0 2 2 4 1 色 0 1 3 2 4 26 21 21 21 rII II E 色 式中 I1 和 I2 分别是两个相互作用分子的电离能 1 和 2 是它们的极化率 r 和 0的意义同上 4 4 2 卤素的分子间作用力 静电力和诱导力只存在于极性分子 中 色散力则不管是极性分子还是非 极性分子都存在 这些作用力不仅存在于不同分子间 而且还存在同一分子 内的不同原子或基团之间 根据实验数据 除个别极性很高的分子外 E 色是主要的 E色由分子的极化率 决定 反应分子中电子云是否容易 变形 当分子中电子数目增加 原子变大 外层电子离核