2.3 · 元素周期律练习题 · Periodic Trends

I₃（3660）到 I₄（25026）突然增大约 6.8 倍，说明 X 有 3 个价电子，第 4 个要从内层拿走。X 通常形成 $\ce{X^3+}$，和 $\ce{O^2-}$ 结合，电荷代数和为 0：2 × (+3) + 3 × (−2) = 0，化学式 $\ce{X2O3}$（X 是 B）。

从 Al 到 Ga，核电荷增加了 18，其中 10 个对应新填入的 3d 电子。d 电子离核较远、形状分散，屏蔽效果比 s、p 电子差，所以 Ga 的 4p 电子感受到的有效核电荷比按规律预计的大，电离能没有下降。Ga 的半径（122 pm）和 Al（121 pm）几乎一样；“电子层更多”本该让电离能变小，正是被这个效应抵消了；Ga 的 4p 上只有 1 个电子，谈不上成对。

离子半径（Shannon）：$\ce{Li+}$ 76 pm，$\ce{Na+}$ 102 pm，$\ce{Mg^2+}$ 72 pm，$\ce{Al^3+}$ 54 pm。$\ce{Na+}$、$\ce{Mg^2+}$、$\ce{Al^3+}$ 都是 10 个电子，核电荷越大半径越小。$\ce{Li+}$ 只有 2 个电子（少一层），比 $\ce{Na+}$ 小；但它只带 +1，所以和带 +2、多一层的 $\ce{Mg^2+}$ 差不多大（周期表上的对角线关系），略大一点。

数据：第一电离能 S 1000、Cl 1251 kJ/mol；电负性 S 2.58、Cl 3.16；原子半径 S 105、Cl 102 pm；离子半径 $\ce{S^2-}$ 184、$\ce{Cl-}$ 181 pm；电子亲和能 S 200、Cl 349 kJ/mol。Cl 在 S 右边，核电荷大、半径小，电离能、电负性、电子亲和能都更大。$\ce{S^2-}$ 和 $\ce{Cl-}$ 电子数相同（18 个），S 的核电荷小，所以 $\ce{S^2-}$ 更大。

电离能是 1 mol 气态原子失去电子所需的能量，先求物质的量：n = 1.00 ÷ 7 = 0.1429 mol。需要 0.1429 × 520 = 74.3 kJ。

Na 失去 3s¹ 后成为 $\ce{Na+}$（1s²2s²2p⁶），再失去电子就要从离核近得多、屏蔽少的 2p 上拿，能量急剧上升。Mg 有 2 个 3s 电子，第二个电子仍是价电子，所以 $I_2$ 不大，跳跃出现在 $I_3$（7733 kJ/mol）。$\ce{Na+}$ 和 $\ce{Mg+}$ 都带 +1；Na 原子比 Mg 大；两者电子层数相同。

C 是 2p²，新电子可以进入空的 2p 轨道；N 是 2p³，三个 2p 轨道各有一个电子，新电子必须和其中一个成对，成对电子之间的排斥抵消了核电荷增大的好处。同样的原因也让 N 的第一电离能（1402）比 O（1314）大。O（2p⁴）的电子亲和能又回到 141 kJ/mol。

Cl 是 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵。屏蔽常数 S：同层（n = 3）的其他 6 个电子 6 × 0.35 = 2.10；n = 2 的 8 个电子 8 × 0.85 = 6.80；n = 1 的 2 个电子 2 × 1.00 = 2.00；S = 10.90。$Z_{eff}$ = 17 − 10.90 = 6.1。对比 Na 的 3s 电子只有 2.2，这就是 Cl 原子小得多、电离能大得多的原因。

写出电子排布，括号里是未成对电子数：V [Ar]3d³4s²（3）；Cr [Ar]3d⁵4s¹（6）；Co [Ar]3d⁷4s²（3）；As [Ar]3d¹⁰4s²4p³（3）；Ga [Ar]3d¹⁰4s²4p¹（1）。V 的 3d³、Co 的 3d⁷（5 个轨道里 2 对 + 3 个单）、As 的 4p³ 都是 3 个；Cr 是 3d⁵4s¹，有 6 个；Ga 只有 1 个 4p 电子。

卤素的氧化性从上到下减弱：$\ce{F2 > Cl2 > Br2 > I2}$。氧化性强的卤素能把排在它下面的卤素离子氧化成单质：$\ce{Cl2 + 2KI -> 2KCl + I2}$。$\ce{Br2}$ 不能置换 $\ce{Cl-}$，$\ce{I2}$ 也不能置换 $\ce{Br-}$ 或 $\ce{Cl-}$。电负性：Cl 3.16 > Br 2.96 > I 2.66。