原子结构与元素周期表（三）

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✦ 原子结构与元素周期表（三）化学原子结构与元素周期表（三 14C断代法

周期律电离能电负性原子半径

原子结构与元素周期表（三

搞清半径、电离能、电负性的递变规律与反常原因

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周期律电离能电负性原子半径

原子结构与元素周期表（三

搞清半径、电离能、电负性的递变规律与反常原因

1第 1 页 · 原子结构与元素周期表（三

碱金属单质物理性质规律

上页讲到，碱金属同主族最外层都只有1个电子。这颗'独苗'电子在Li、Na、K、Rb、Cs里处境有何不同？物理性质又呈现怎样的规律？

原子半径递增

电子层数自上而下递增，最外层电子离核越来越远

熔沸点递减

金属键变弱，少量能量即可破坏原子有序排列

硬度与延展性递减

钠可用小刀切，钾稍用力即变形

密度非单调变化

Na→K反常下降，原子体积膨胀快于质量增加

第一电离能递减

外层电子束缚变弱，更易失去形成阳离子

围圈手拉手的人越来越多对应 →原子半径递增、金属键减弱

圈子越大，每人手臂拉得越松，把原子黏在一起的力（金属键）就越弱

2第 2 页 · 碱金属单质物理性质规律

卤族元素（卤素）

上页讲了碱金属的物理性质递变。本页来到它们的'对面'——周期表最右边的卤素，最容易抢电子。一失一得，凑出天天吃的食盐。

位置与成员

第ⅦA族（17族），含F、Cl、Br、I、At五种元素

得电子特性

最外层7电子，只差1个即达8电子稳定结构；强氧化剂

单质递变

X₂双原子分子；F₂淡黄气→Cl₂黄绿气→Br₂红棕液→I₂紫黑固

典型应用

F：含氟牙膏/特氟龙；Cl：自来水消毒；Br：阻燃剂；I：碘酒

公司岗位差1人就满编对应 →卤素原子差1电子达8电子稳定

卤素抢电子能力极强；与碱金属送电子互补，一起形成盐

F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2 \quad (氧化性递减)

3第 3 页 · 卤族元素（卤素）

卤素单质物理性质规律

上页讲碱金属从上往下越来越'软'。卤素刚好相反：颜色越来越深，状态从气一直排到固。同样是从上到下，规律怎么差这么大？

状态与颜色

F₂ 淡黄气 → Cl₂ 黄绿气 → Br₂ 红棕液 → I₂ 紫黑固——颜色加深，状态由气到固

熔沸点与密度

分子量递增，电子云越大，伦敦色散力越强，熔沸点和密度都递增

溶解性

F₂ 遇水剧烈反应；Cl₂、Br₂ 微溶于水；I₂ 几乎不溶水，但易溶于 CCl₄ 等有机溶剂

键能反常

F—F 键能反常偏低，因孤对电子距离过近相互排斥，比 Cl—Cl 还小

堆叠的积木越摞越高对应 →卤素分子间作用力

越往下分子越大越重，相互间的'拉力'（伦敦力）越强，拆散它们需要更多能量

E_b(F-F) < E_b(Cl-Cl) > E_b(Br-Br) > E_b(I-I)

4第 4 页 · 卤素单质物理性质规律

卤素与氢气反应及氢化物稳

上一页我们看了卤素单质颜色、状态、熔沸点的递变。现在看它们与氢气的反应——条件越来越苛刻，这背后藏着什么规律？

反应条件递变

F₂冷暗爆炸；Cl₂光照或点燃；Br₂持续加热；I₂高温且可逆

氢化物热稳定性

HF>HCl>HBr>HI；HI受热易分解，HF高温也较稳定

键能递减规律

HF 567、HCl 432、HBr 366、HI 298 kJ/mol

还原性与非金属性

HX还原性HI>HBr>HCl>HF，与单质活泼性顺序相反

锁的松紧对应 →HX键的强弱

锁扣越紧越难撬开——HF最紧（最稳），HI最松（最易分解）

5第 5 页 · 卤素与氢气反应及氢化物稳

卤素单质氧化性强弱顺序

上一页我们比较了卤素和氢气的反应——越来越难进行。这件事的根源在于：卤素单质"抢电子"的本事，从上到下在变弱。今天就正式拆开这件事。

氧化性顺序

F₂>Cl₂>Br₂>I₂，自上而下单调递减

氧化性本质

卤素单质分子获得电子的能力，由电子亲和能与解离能共同决定

决定因素

原子半径增大→核对外层电子吸引力减弱→得电子能力下降

置换反应验证

强氧化性卤素能把弱氧化性卤素从其卤化物中置换出来

F₂的越界行为

F₂ 还能剧烈氧化 H₂O，超出简单置换序列

短跑运动员起跑的反应快慢对应 →卤素单质得电子的速度

F₂ 起跑最快、瞬间抢到电子；I₂ 慢得多，常错失机会——同主族从上到下起跑速度递减

X_2 + 2Y^- \to 2X^- + Y_2

6第 6 页 · 卤素单质氧化性强弱顺序

卤素间置换反应

上一节我们得到氧化性 F₂>Cl₂>Br₂>I₂。把氧化性强的卤素单质加入氧化性弱的卤化物溶液中，会发生什么？

置换反应定义

氧化性较强的卤素单质，把氧化性较弱的卤素从其卤化物中替换出来

置换方向

强者置换弱者，方向由氧化性顺序决定，不可逆转

典型实例

Cl₂置换Br⁻和I⁻；Br₂置换I⁻；F₂在水中剧烈反应，不能在水溶液中置换

重要应用

加氯水+CCl₄于待测液，下层颜色：橙色→含Br₂，紫红色→含I₂

围棋中的提子对应 →卤素间置换反应

氧化性强的『子』把弱的『子』吃掉，自身占据该化合物中的位置

X_2 + 2Y^- \to 2X^- + Y_2 \quad (\text{氧化性：} X_2 > Y_2)

7第 7 页 · 卤素间置换反应

同主族元素性质的相似性和

同主族元素性质的相似性和递变性：定义、要点与典型应用

同主族元素性质的相似性和

同主族元素性质的相似性和递变性：定义、要点与典型应用

8第 8 页 · 同主族元素性质的相似性和

原子结构与元素性质的关系

上几页我们看到：碱金属越往下越活泼，卤素越往下越不活泼。表面是性质差异，底层其实是原子结构在暗中操控。

核电荷数

即质子数，决定元素种类，是元素的'身份证'

电子层数

影响原子半径大小和内层电子的屏蔽效果

最外层电子数

<4 易失电子显金属性，>4 易得电子显非金属性，等于8（He为2）为稳定稀有气体结构

三者联动

共同决定化合价、活泼性，与水/酸/氧气的反应

周期律本质

原子结构的周期性递变，导致元素性质的周期性递变

一栋临街公寓楼对应 →原子结构与化学性质

房东＝核电荷数定身份；楼层数＝电子层数定大小；临街店面＝最外层电子决定对外态度

Z^{*} = Z - \sigma \quad (\text{有效核电荷，}\sigma \text{ 为屏蔽常数})

9第 9 页 · 原子结构与元素性质的关系

元素相对原子质量与同位素

前页我们已用原子序数判断元素归属；同一种元素若质量不同，就要追问它含有哪些同位素、各占多少。

同位素

质子数相同、中子数不同的核素；化学性质基本相同，核性质与质量可不同

核素符号

^A_ZX 中，Z 为质子数，A 为质量数，A−Z 为中子数；质量数不是相对原子质量

元素相对原子质量

某元素一个原子的平均质量与碳-12 原子质量的 1/12 之比；无单位

丰度加权

各同位素的原子质量 m_i 按原子数分数 x_i 加权，不是按质量分数；结果取决于样品组成

质谱应用

质谱给出同位素质量与相对丰度，可计算该样品的元素相对原子质量

一箱混色弹珠对应 →元素相对原子质量

每种颜色对应一种同位素，数量占比对应原子丰度，按各自质量加权得到整箱平均值。

A_r(E)=\frac{\sum_i x_i m_i}{m(^{12}\mathrm{C})/12}=\sum_i x_i A_r(i),\quad \sum_i x_i=1

10第 10 页 · 元素相对原子质量与同位素

放射性同位素的应用

上页说到同位素有稳定与不稳定之分，不稳定的会自发衰变放出射线——听起来像缺点，却被人类变成了各行各业的利器。这一页看放射性同位素怎么从「麻烦」变成「工具」。

核心原理：自带可探测信号

放射性原子衰变时发出的射线能被仪器捕捉，相当于在分子世界装了一个GPS

碳-14断代：给文物算年龄

生物活着时不断从大气吸收C-14，死亡后停止补充，按5730年减半的速率衰变，测剩余量即得年龄

医学诊疗：靶向与成像

碘-131聚集甲状腺治甲亢/癌；钴-60γ射线杀死癌细胞；PET用氟-18标记葡萄糖看代谢

工业示踪与边界

测管道泄漏、探焊缝缺陷、研究肥料在植物中的路径；边界是剂量安全与废料处理

往河里滴荧光染料对应 →用放射性同位素做示踪剂

荧光让水流被看到，射线让原子被仪器定位——原理都是「让不可见的变得可见」

N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^{t/5730},\ t\text{为经过年数，}\ 5730\text{为C-14半衰期}

11第 11 页 · 放射性同位素的应用

14C断代法

考古学家发现一段木头，不会直接看出它“几岁”，而会测其中的放射性碳。上一页讲到同位素会衰变，这一页看14C如何把衰变变成年代时钟。

产生与衰变

宇宙射线次生中子轰击14N，持续生成14C；14C经β⁻衰变，半衰期约5730年

时钟起点

生物存活时与环境交换碳，14C/12C比值大致稳定；死亡后交换停止

衰变定年

测样品中14C/12C比值的衰减，换算停止碳交换后经过的时间

适用边界

常用于约300—50000年；过老时接近本底，年轻样品中现代碳与日历错位更突出

结果校正

结果需用树轮等曲线校正；还须排查新碳、老碳污染与储库效应

停止续碳后的存量对应 →14C年代时钟

活着时从大气补充碳，使比值接近初始值；死亡后停止交换，14C只按半衰期减少

{}^{14}\mathrm C\to{}^{14}\mathrm N+e^-+\bar{\nu}_e,\quad t=\frac{\ln(N_0/N_t)}{\lambda}=\frac{T_{1/2}}{\ln2}\ln\left(\frac{N_0}{N_t}\right)

12第 12 页 · 14C断代法

元素周期表的发展阶段

元素周期表的发展阶段：背景、意义与延伸了解

元素周期表的发展阶段

元素周期表的发展阶段：背景、意义与延伸了解

13第 13 页 · 元素周期表的发展阶段

元素排序依据的演变

元素排序依据的演变：定义、要点与典型应用

元素排序依据的演变

元素排序依据的演变：定义、要点与典型应用

14第 14 页 · 元素排序依据的演变

金属元素与非金属元素判别

上一节我们用最外层电子数解释了同主族元素的相似性。换个角度：金属和非金属之间，能不能也靠最外层电子数划线？

判别主依据

最外层电子数是划分金属与非金属的第一判据

金属元素倾向

最外层电子数 < 4，反应中倾向失电子形成阳离子

非金属元素倾向

最外层电子数 > 4，反应中倾向得电子形成阴离子

边界灰区

最外层恰为 4 的碳、硅、锗常显两性，难以简单归类

例外与局限

氢仅 1 个电子却是非金属；稀有气体 8 电子单独成族

公交车上座率对应 →原子最外层电子数

乘客少(<4)下车容易(失电子)；快坐满(>4)想抢最后一个座(得电子)

15第 15 页 · 金属元素与非金属元素判别

本节要点

✓结构决定性质：最外层电子数定类别，原子半径定强弱
✓同主族从上到下：金属性增强、非金属性减弱
✓卤素氧化性 F₂>Cl₂>Br₂>I₂，置换反应可实验验证
✓同位素化学性质相同，相对原子质量取加权平均
✓金属与非金属的界线并非绝对，存在过渡与半金属

延伸主题：过渡金属的氧化态多样性分子间作用力与物质状态元素周期律的量子力学解释

16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先合上书自己想一想，再翻参考答案对照思路——三个问题分别考你回顾、应用和迁移能力。

1为什么同主族卤素的氧化性从上到下逐渐减弱？请从原子结构角度给出解释。

参考答案从 F 到 I，电子层数增多，原子半径增大，核对最外层电子的吸引力减弱，得电子能力下降，故氧化性减弱。

2考古中发现一块古木，其 ¹⁴C 残留量约为活体的 1/8。请估算它的大致年代，并说明依据。

参考答案¹⁴C 半衰期约 5730 年。1/8 = (1/2)³，经 3 个半衰期，约 5730×3 ≈ 17190 年。

3氢常被放在第ⅠA族，但性质与碱金属差异显著。换个角度——氢更适合放在周期表哪个位置？为什么？

参考答案可考虑放在ⅦA族上方：最外层 1 个电子，类似卤素易得 1e⁻ 达稳定结构；也可单独成族体现其独特性，目前学界尚无定论。

17第 17 页 · 课后思考