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影响电负性因素及应用

电离能和电子亲和能都是研究元素游离态的原子的性质。电离能是衡量元素金属性大小的物理量。元素的金属性指原子失去电子的能力。一般元素的金属性越强,其第一电离能越小。电子亲和能是衡量元素非金属性大小的物理量。非金属性则指原子获得电子的能力。一般电子亲和能越大,元素的非金属性越强。打个比方说,电离能和电子亲和能是各司其职,如同元素界的金属门和非金属门的两大掌门人。

例:气态氢原子(H):1s电子若得到13.6ev 的能量,将从基态跃迁到n=∞的高能级, 成为自由电子;氢原子失去一个电子变为+1价的气态阳离子。

即:氢的电离能(I1)为13.6ev 。

注:1eV/mol =96.485kJ/mol

钠(Na) 的电离能为5.139ev(I1),表示只需吸收5.139ev 的能量,Na(g)原子就将失去最外层的一个电子,变成金属气态阳离子。而5.139ev<13.6ev,可见Na 金属性比氢强很多。

氟(F)的第1电离能为17.422ev ,比氢I1还要大,且远比Na 的I1大,足以说明氟不可能显金属性,那么它的非金属性有多强呢? 

查表知氟的电子亲合能为327.9kJ /mol ,表示氟原子加合一个电子时,要放出327.9kJ/mol的能量,即它得电子的能力很强,是典型的非金属性元素。

上面示例中都只是考察元素游离态原子的非金属性与金属性,但在化学实践中,更多的要讨论在化合物环境中原子吸引电子能力的强弱,急需一个统一的标准可以把金属元素与非金属元素放到一起比较。

电负性的概念应运而生。物理概念需要依托相应标度的确立实现定量化,电负性可以通过多种实验的和理论方法来建立标度。我们今天重点关注的是鲍林建立的电负性标度。

目前高中三种版本教材的电负性概念及选用数据对比:

苏教版:1932年莱纳斯·卡尔·鲍林(L.C.Pauling)首先提出了电负性(electronegativity)来衡量元素在化合物中吸引电子的能力。他指定氟的电负性为4.0,并以此为标准来确定其他元素的电负性(如图2-14)。

影响电负性因素及应用

鲁科版:电负性是元素的原子在化合物中吸引电子能力的标度。元素电负性数值越大,表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强;反之,电负性越小,相应元素的原子在形成化学键时吸引能力越弱。

影响电负性因素及应用

分析元素电负性数值,可以看出金属元素的电负性较小,非金属元素的电负性较大。对主族元素而言,同一周期从左到右,元素的电负性递增,同一主族自上而下,元素的电负性递减。因此电负性大的元素集中在元素周期表的右上角,电负性小的元素集中在元素周期表的左下角。

人教版:电负性用来描述不同元素的原子对键合电子吸引力的大小。电负性越大的原子,对键合电子的吸引力越大。鲍林利用实验数据进行了理论计算,以氟的电负性4.0和锂的电负性1.0作为相对标准,得出了各元素的电负性(如图1-23,稀有气体未计)。

影响电负性因素及应用

一般来说,同周期元素从左到右,元素的电负性逐渐变大;同族元素从上到下,元素的电负性逐渐变小。

电负性通常以希腊字母χ表示。又称为相对电负性,简称电负性,也叫电负度。电负性综合考虑了电离能和电子亲合能。

电负性与元素非金属性区别

电负性强调共用电子对偏移方向。而非金属性侧重于电子的得失。描述元素单质得电子的能力(宏观性质)。

影响电负性的因素有哪些呢?

1.原子半径:半径越小,原子核对电子吸引力越强,电负性越高。例如,氟的原子半径极小(约64 pm),电负性达4.0,为所有元素之最。

2.原子核电荷数:有效核电荷数Z* 越大,原子核对键合电子的吸引力越强,电负性越大。例如,同周期中钠到氯的电负性随核电荷数增加而递增。

电负性在化学中的应用实例

电负性差异是判断化学性质的重要工具,具体应用包括:

1.判断元素属性

一般认为,电负性大于1.8的元素为非金属元素,电负性小于1.8的元素为金属元素。

前面提到的Na ,它的电负性为0.9,是典型的金属元素;而F 的电负性为4.0,是所有元素中最大的,当然也是非金属性最强的元素。这样判断元素的这两种性质就有了统一尺度, 而且两类不同元素间也有大致的分界。

值得注意的是,这里的分界数值只是一个参考值,不能作为金属与非金属的绝对分水岭。

2.判断化合物中元素化合价

电负性小的元素在化合物中吸引键合电子的能力弱,元素的化合价为正值。电负性大的元素在化合物中吸引键合电子的能力强。元素的化合价为负值。通过化合物中元素的化合价也可反推电负性高低。

例:因为氮的电负性高于氢,所以在NH₃中,氮显-3价,氢显+1价;

CO₂中,氧显-2价,碳显+4价,表明氧对键合电子的吸引力更强,故电负性O>C。

小试身手:

请指出下列化合物中显正化合价的元素?

CH₄、NaH、ICl、HClO

3.判断化学键类型

一般认为两种成键元素的电负性差值大于1.7时,通常形成离子键(如NaCl,Δ=2.1);两种成键元素的电负性差值小于1.7时,通常形成共价键(如H₂O,Δ=1.4)。电负性差越大,键的极性越强,当电负性差=0(如O₂)时,则形成非极性共价键。

4.预测分子极性

共价分子,若电负性差异导致电荷分布不均时,为极性分子(如HCl,H电负性2.1,Cl电负性3.0)。

若电负性因为对称抵消极性(如CO₂,氧的高电负性通过结构对称被抵消)时,为非极性分子。

5.比较酸性的强弱

(1)最高价含氧酸中,中心原子电负性越高,酸性越强。例如,HClO₄(Cl电负性3.0)> H₂SO₄(S电负性2.5)> H₃PO₄(P电负性2.1)。

理论解释:非金属元素的电负性越大,其最高价含氧酸中,中心原子吸引键合电子能力越强,导致O-H键极性越大,越易电离出H⁺,酸性越强。

注:无机含氧酸的酸性比较也是一种重要题型。影响其酸性的因素很多,将用专题阐述。这里不再拓展。

(2)同一周期无氧酸中,中心元素的电负性越大,酸性越强。

6.预测元素活泼性

一般电负性越大的非金属元素越活跃,电负性越小的金属元素越活泼。氟的电负性最大(4.0),是最容易参与反应的非金属;电负性最小的元素(0.79)铯是最活泼的金属。

7.解释某些化学规律和现象

①解释元素周期表中的“对角线规则”。

元素周期表中某些主族元素与右下方的主族元素电负性相近,性质相似。

②解释核磁共振谱分析中的化学位移。电负性较大的原子的吸电子诱导效应会使化学位移移向低场。

综上,电负性不仅是化学元素的基本属性,更是理解分子结构、化学反应的重要工具。掌握其排序规律及实际应用,有助于深入学习化学键、分子间作用力等核心概念。

鉴于考题经常会有上述应用的考察,所以大家学习中要注意背诵常见元素电负性的大小顺序。

常见元素电负性大小(鲍林标度)

非金属系:氟氧氯氮溴碘硫碳氢  >金属系:铝铍镁钙锂钠钾

“氟、氧、氯、氮、溴、碘、硫、碳、氢”,其中碳氢两种元素的比较尤其值得关注。

过渡元素的电负性值无明显规律。

(责任编辑:化学自习室)
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