主副族元素电负性值的估算法

PAGE主副族元素电负性值的估算法河南省实验中学李玉安众所周知，电负性在判断元素是金属还是非金属、判断分子的极性，推算共价键所具有的部分离子性，解释化合物的颜色变化规律、决定化合物的酸碱性等方面有许多定性的应用（见1980年《化学教学》第1期，李嘉音《电负性的确定和应用》一文）。若要熟练的应用电负性，首先必须熟练的掌握并记忆各元素的电负性值。怎样推算元素的电负性并准确的记忆它呢？本文力图利用元素周期表这个工具，为广大中学生和化学教师提供一种简便易行的电负性估算方法。一、目前流行的三套电负性数值的计算方法据北京师范大学所编《无机化学》一书介绍，目前流行三套电负性数值，其计算方法各不相同，数值也相差较大。1932年鲍林首先提出电负性这一概念，并根据热化学数据和分子的键能，指定氟的电负性为4.0，求出了其他元素的电负性值。其计算方法举例如下：鲍林电负性经验公式y=96·(电负性差)2H-H+F-F如H-F键能测定值与计算值( 2 )的差y＝568－297＝298（kJ/mol）,代入上述公式，可求出H-F的电负性差，若指定氟为4.0，则可求出H的电负性值。1937年密立根用公式Xm=1/2(IA+EA)计算了元素的电负性值Xm,式中IA指电离能，EA指电子亲合能。1957年阿莱－罗周用公式X=0.359·Z*/Y2+0.744算出了一套电负性数据。Z*指有效核电荷，Y为共价半径。两个常数0.359和0.744的引入是为了和鲍林的数据相吻合。其计算方法举例如下:Na1S22S22P63S1,Z=11,查表知：r=1.54A0,1S,2S,2P电子对3S电子的屏蔽常数分别是1，1，0.9，则总的屏蔽常数S=2×1+2×1+6×0.9=9.4，Z*=(Z-S)=11-9.4=1.6Na的电负性＝0.359×1.6/1.542+0.744=0.986密立根由于电子亲合能数据缺乏受到限制，鲍林则要根据键能和反应热，阿莱－罗周虽计算了绝大多数元素电负性值。有些与鲍林吻合，有些则相差较大。如：元素阿莱－罗周鲍林Pb1.552.33Bi1.672.02Cl2.833.16而且，阿莱一罗周的计算方法,需知道共价半径，需要根据原子序数和其它电子对选定电子的屏蔽效应，从理论上推算出有效核电荷。总之,上述三种方法也都是半定量的，都需要建立在各种物理数据之上，计算时需要查找这些有关物理数据．因此，其方法和由此而计算出的电负性数据不是一般人所能掌握的。因此,我设想了一种简单易行的电负性计算方法。二、主族元素电负性值的估算方法元素的电负性既是成键原子对共用电子对的吸引能力，它应和原子结构有关：它应随最外层电子数的递增而增大，随原子半径（电子层数）的递增而减少。最外层电子数即主族数，电子层数即周期数。所以电负性、周期数、主族数三者之间定有规律可循。在研究了鲍林等人的元素的电负性数值和周期数、主族数的数值关系后，我提出了主族元素的电负性计算公式。主族元素电负性值可根据下列公式进行估算： K为修正值K=周期数（n)/20注：(1)x表示主族元素电负性值。 (2)从第三周期开始有修正值。第三周期及四、五、六、七周期的IA、IIA元素，K取负值其余主族，K取正 值。（3)阿莱—罗周、鲍林的氢电负性值分别为2.2和2.1，为了和他们的数值相吻合，氢电负性可用公式(m+n)/n求得为2。0。计算方法举例如下：例1：第二周期、VIIA元素氟(F)、其电负性值：x=(7+2-1)/2=4。例2：第三周期VIA元素硫(S)、其电负性值：X=(6+3-1)/3-3/20=2.52例3：第四周期VIA元素硒(Se)、其电负值X=(6+4-1)/4+4/20=2.45将本人的元素电负性值与阿莱—罗周、鲍林的电负性值列表比较于后(见表1)、表中第一个数据为阿莱—罗周的；第二个为鲍林的；第三个为作者的。阿莱—罗周、鲍林数值均引自《中学教师化学手册》一书(科学普及出版社、刘知新等编)。现将表中部分元素电负性数值比较如下：元素阿莱—罗周鲍林本人9F4.103.984.020Ca1.041.001.0533As2.202.182.2038Sr0.990.95O.958O3.503.443.50由附表可知，本人方法有如下优点：（1）只需主族数和周期数便可知电负性，不需要查找有关物理数据，便于教师学生掌握。（2）此方法的电负性值更符合同主族自上而下递减的规律。如我的有IA、ⅡA、ⅤA、ⅦA完全符合，阿莱—罗周只有ⅦA完全符合，鲍林有ⅦA（缺I）,ⅥA(缺Te和Po)、ⅤAⅡA(缺Ra)符合。（3）鲍林的某些电负性值不符合同主族自上而下递减的规律。如：ⅢA的Ti元素应小于1.78而不是2.04，ⅣA的Pb元素应小于1.90而不是2.33。阿莱—罗周的则有：IA的Fr应小于Cs而不应相等，ⅡA的Ra应小于Ba，不应相等。（4）可预言未知元素电负性值。如第八周期IIA元素电负性值：X=(2+8-1)/8-8/20=O.73三、副族（及第8族）元素电负值的估算法副族元素的化学性质除与其原子半径有关外，主要取决于其外围电子构型：(n-2)f1-14(n-1)d1-10nS1-2,在其外围电子中，各亚层对其化学性质的影响也是不尽相同的，影响最大的是其最外层nS亚层,其次是次外层(n-1)d亚层，再其次是内层(n-2)f亚层，另外各亚层电子数多少，是否半充满，全充满也会影响元素的化学性质，基于上述认识，我认为决定副族元素电负数值大小的因素有如下三条：(1)副族元素电负性应随原子半径(周期数)增大而减小．(2)最外层电子对副族元素电负性贡献最大，其次是次外层的(n－1)d亚层，再其次是内层(n-2)f亚层。(3)一般说来，各亚层电子数增多，其电负性值增大，但当亚层处在半充满、全充满时，因结构稳定，获得电子能力减弱，其电负性值相应变小。在以上三点认识的指导下，我借鉴主族元素电负性计算公式提出了副族元素电负性计算公式，副族元素电负性计算公式如下 Kƒ×ƒ+Kd×d+Ks×s+周期数（n）-1X= 周期数（n）注：(1)公式中的ƒ、d、s为副族元素外围各亚层电子数。(2)Kƒ、Kd、Ks分别为副族元素外围各亚层电子对电负性值的贡献值，其值见下表：小于半充满半充满大于半充满全充满S电子0．90．6d电子0．60．.50．40．25ƒ电子0．060．020．040．01计算方法举例如下：例1：21号元素Se外围电子构型是3d14S2、d=1n=4.s=2 ƒ=0Kd=0.6Ks=0.6ƒ=0Kƒ=0其电负性值：0.6×1+0.6×2+4－1 X＝ =1.204例2：60号元素Nd外围电子构型是4ƒ46S2 n=6ƒ=4s=2Kƒ=0.06Ks=0.6d=0 Kd=0 其电负性值 0.06×4+0.6×2+6-1X= =1.076将本人的元素电负性值与阿莱—罗周、鲍林的电负性值列表比较于后(见表2)，表中的第一个数据为阿莱—罗周的；第二个为鲍林的；第三个为作者本人。阿莱—罗周、鲍林数值均引自《中学教师化学手册》一书(科学普及出版社、刘知新等编)，其中镧系、锕系元素由于鲍林数据缺乏，故未列出。锕系元素中95号Am至103号Ir、阿莱—罗周估计电负性值为1.20故也未列出。本人计算副族元素电负性值时所依据的外围电子构型见现高中化学课本第一册元素周期表。现将表中部分元素电负性数值比较如下：元素阿莱—罗周鲍林本人21Sc1.201.361.2030Zn1.661.651.6860Nd1.07/1.O772Hg1.23(1.3)1.23通过比较可知我的方法有如下优点：（1）只需要知道副族元素原子的外围电子构型就可计算出其电负性值，简便易行。（2）阿莱—罗周未计算出的元素用我的方法可计算出（3）未知元素的电负性也可算出。如108号元素，其外围电子构型是6d67S2,其电负值可能是1.37。四、说明：1、对主族元素K值说明：(1)、第三周期K值如果公式x=（m+n-1）/n恰好反映了主族，周期对第二周期元素电负性值的贡献的话，那么，由于1S电子对2S电子屏蔽常数是0.85，而对3S电子的电子屏蔽常数是1，当元素有第三电子层时(进入第三周期)，两个1S电子屏蔽常数增加(1-0.85)×2=0.3。考虑到电子层数增加了1/2(1层)，其屏蔽常数实际应增加1/2即0.3/2=0.15，这恰好等于第三周期的K值-3/20。至于K取负值：是因为屏蔽常数增加，核吸引电子能力减弱，电负性值应减少。(2)、长周期K值，长周期主族元素的IA、ⅡA和ⅣA－ⅦA之间被10个过渡元素隔开．过渡元素的10个d电子使有效核电荷数积累增加(1－0．98)×10＝0．2(d电子屏蔽常效为0．98)，四、五、六周期的K值与0．2十分接近，分别为0.20、0.25、0.30，．ⅢA—VⅡA元素K取正值，显然因为有效核电荷增加，核吸引电子能力增加，电负性应增大．而IA、ⅡA元素，无外围亚层电子的影响，屏蔽常数相对较大，所以K取负值。‘总之，主族公式K值与屏蔽常数有关2、上述主、副族元素计算公式，其形式略有不同，但其本质相同，即元素电负性值应随最外层电子(对副族则指外围电子)数增加而增大、随电子层数(周期数)增加而减小。两个公式中的附加条件是为和阿莱—罗周、鲍林电负性值相吻合而设立的。这样的估算不需要掌握大量物理数据(如：键能、反应热、有效核电荷、屏蔽常数等)。一般中学生也能掌握，而且还能预测未知元素电负性值。这是将复杂理论问题变得简单化的一种尝试，绝无贬低名家之意。3、正如许多专著所指出的那样我们不能把电负性看作完全定量的有严格物理意义的概念，上诲李嘉音教授及不少专著指出，名家的电负性公式，都是半定量的经验公式，并不完全具有严格的物理意义，实际应用电负性时，只有不过份追求定量才有意义。就以阿莱—罗周计算公式中的0.359和0.744来说就是人为的数值，无任何意义尽管引入这两个数值的目的是为了和鲍林电负性值相吻合，但误差很大。因此应该允许用一个变化的公式，只要这个变化不是令人难以捉摸，只要这样的公式计算结果准确，我们为什么非要苛求它必须有准确的物理意义呢？4、我的两个公式基本相似,它与名家的公式有异曲同工之作用,有着使用价值,我们应该探索是否接近或揭示了某种规律，愿以此文引起争鸣。5．本人数值还有更合理的因素：如：在对元素进行分类时，不少专著指出，电负性大于2．0为非金属，小于2．0为金属，但鲍林数值中有15种金属电负性大于2．0，我的只有2种(Po2．13，Sb2．05)又如：在用R-O-H规则解释元素最高价氧化物及其对应水化物酸碱性时，不少专著指出：R电负性等于1.5两性，大于1.5酸性，小于1.5碱性。Cu(OH)2具有两性，而鲍林，阿莱一罗周关于Cu的电负性值分别为1．91和1.75，与上规律相差较大，而我的数值Cu1．60，与上规律相差极小．参考文献:1北师大等校编《无机化学》上册296页一299页 2美国《化学原理》(北京大学出版社1980年5月第一版243－244页3《中学教师化学手册》(科学普及出版社1981年7月第一版52－54页4《无机化学》编写组编《无机化学》上册(人民教育出版社1978年3月第一版)33－页5《化学教学》1980年一期，李嘉音《电负性值的确定和应用》6蒋安仁《化学键》(上海教育出版社)1983年6月第一版）64－68页7吕志清请等编《中学化学教学问答》(山东教育出版社1983年2月第一版）21－23页8谢有畅邵美成编《结构化学》上册（人民教育出版社1979年4月第一版）70－73页“实际上电负性概念也只有在不过分追求定量的基础上应用才有意义”注:1、本文获1986年河南省第二届大中学校优秀化学论文一等奖2、本文发表在《化学教学》1988年第三期，主要内容发表在《中学生数理化》和《河南教研》3、本文获河南省化学会1986年度一等优秀学术论文被鉴定为在全国有一定影响 4、本文获河南省科协河南省自然科学优秀学术论文三等奖1989年11月5、本文曾获得郑州大学化学系主任周正民教授，河师大院长省化学会理事长卢锦梭教授，北京大学化学系教授华彤文的指导和肯定。6.全国化学竞赛委员会主任、国际奥赛国家队领队、主教练、北师大化学系主任吴国庆教授评价说“李玉安老师：我最近读了你发给我的你写的两篇文章，真是写得不错。电负性一文有很大的创造性，你说是跟名家开个玩笑，我看真是有意思极了。我真正没有想到你提到的这种规律。这篇文章真够有水平的。可惜我看到太晚了，否则我一定编到我写的书里去。如果你同意，我还是想在以后我写的书里把你这篇文章的东西编进去。竞赛一篇也很好，但肯定有的人不高兴。这没有什么奇怪的。我许多话也有许多人不高兴，我仍是走我自己的路。非常希望有像你这样有水平的老师提出《无机化学》第五版修订的意见。吴国庆2005，12，8各主族元素电负性值对照表1主族周期IAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA11H2.202.102.0023Li0.970.081,004Be1.471.571.501.471.571.505B2.012.042.006C2.502.552.507N3.073.043.008O3.503.443.509F4.103.984.00311Na1.010.930.8512Mg1.231.311.1813Al1.471.611.5214Si1.741.901.8515P2.062.192.1816S2.442.582.5217Cl2.833.162.85419K0.910.820.8020Ca1.041.001.0531Ga1.821.811.7032Ge1.821.811.7033As2.202.182.2034Se2.482.552.4535Br2.742.962.70537Rb0.890.820.7538Sr0.990.950.9549In1.491.781.6550Sn1.721.961.8651Sb1.822.052.0552Te2.012.2553I2.212.662.45655Cs0.860.790.7056Ba0.970.890.8781Tl1.442.041.6382Pb1.552.331.8083Bi1.672.021.9784Po1.782.1385At1.962.30787Fr0.860.6588Ra0.970.80表二各副族元素电负性值对照表副族周期ⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧIBⅡB421Sc1.201.361.2022T11.321.541.3523V1.451.631.5024Cr1.561.661.6025Mn1.601.551.6826Fe1.641.831.65