IB化学知识点S3元素周期性

IB化学知识点S3元素周期性 Periodicity

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1. 元素周期表结构 Structure of the Periodic Table

1.1 排列原则 Arrangement

元素按原子序数 atomic number递增排列。

表格分为四个“区块 blocks”：

s 区（s-block）：主族 1、2 以及氦

p 区（p-block）：主族 13 至 18

d 区（d-block）：主族 3 至 12，即过渡金属

f 区（f-block）：镧系元素 lanthanoids 与锕系元素 actinoids

周期 period：同一横行，周期号 n 为最外层电子所在主能级。

族 group：同一列，最外层电子数相同，化学性质类似。

1.2 分类与特征 Classification

金属 metals：位于表左及中间，多为良导体、有延展性。

非金属 non-metals：位于表右，多为绝缘体，化合物呈酸性氧化物。

类金属 metalloids：如 B、Si、Ge，性质介于二者之间。

特殊族命名：

Group 1：碱金属 alkali metals

Group 17：卤素 halogens

Group 18：稀有气体 noble gases

1.3 电子排布与位置的关系 Electron Configuration Relation

例：碘 I（Z=53）为五周期，第17族，属于 p 区，最外层排布 ns²np⁵。

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2. 元素周期律与趋势 Periodic Trends

2.1 原子半径 Atomic radius

定义：两个同种原子核间距离的一半。

同族向下（down a group）：增大，因能级数增加。

同周期向右（across a period）：减小，因核电荷增加、屏蔽效应相对减弱。

2.2 离子半径 Ionic radius

阳离子 cations 半径 < 原子半径（失电子壳层减少、核吸引增强）。

阴离子 anions 半径 > 原子半径（得电子电子间排斥增加）。

等电子离子 isoelectronic：质子数越多，半径越小。

2.3 熔点 Melting points

同周期：金属键逐渐增强（Na<Mg<Al），到 Si（共价网状结构）最高；后续为简单分子结构，分子间作用力弱，熔点低。

同族：Group 1 向下熔点降低；Group 17 向下熔点升高（分子间作用力增强）。

2.4 第一电离能 First Ionization Energy

定义：移除一摩尔气态原子的一个电子所需能量。

同族向下：降低（电子离核更远、受吸引力减弱）。

同周期：总体升高（核电荷增加、原子半径减少）。

p 亚层能量稍高于 s 亚层，电子配对会略降低第一电离能（B<Be，O<N）。

2.5 电负性 Electronegativity

同周期：升高（原子半径减小、核电荷吸引力增强）。

同族：降低。

2.6 电子亲和能 Electron affinity

第一电子亲和能多为放热（负值），但第二电子亲和能通常为吸热（正值）。

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3. 元素的化学性质 Chemical Properties

3.1 Group 1 碱金属 Alkali Metals

外层 ns¹，极易失去 1 个电子 形成 +1 离子，强还原剂。

反应活性随族向下增加。

与水反应生成氢氧化物碱液及氢气：

2Na + 2H₂O 2NaOH + H₂

3.2 Group 17 卤素 Halogens

外层 ns²np⁵，易得 1 个电子 形成 -1 离子，强氧化剂。

反应活性随族向下减弱。

强氧化性卤素可置换弱氧化性卤素的卤化物离子，如：

Cl₂ + 2Br⁻ 2Cl⁻ + Br₂

卤化物检测：与 AgNO₃ 生成沉淀（AgCl 白、AgBr 淡黄、AgI 黄）。

3.3 金属性与非金属性 Metallic/Non-metallic Character

金属性沿周期递减、向下递增。

金属氧化物碱性，非金属氧化物酸性，类金属氧化物呈两性（amphoteric）。

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4. 氧化态与化合物命名 Oxidation States & Nomenclature

4.1 氧化态判定规则

单质：0

氧：-2（过氧化物 -1）

氢：+1（金属氢化物 -1）

总和为化合物电荷。

4.2 命名 Nomenclature

主族固定价不标氧化数。

过渡金属可变价，采用罗马数字表示：FeCl₃ 铁(III)氯化物 iron(III) chloride。

氧阴离子 oxyanions：SO₄²⁻ 硫酸盐 sulfate(VI)；SO₃²⁻ 亚硫酸盐 sulfite(IV)。

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5. 过渡金属 Transition Metals

5.1 定义 Definition

具有一个或多个氧化态时 d 亚层不全的元素。Sc³⁺和 Zn²⁺ 不属典型过渡金属。

5.2 性质 Properties

可变氧化态 variable oxidation states

形成配合离子 complex ions（配体 ligands）

多为有色化合物 coloured compounds

催化性 catalytic activity

磁性 magnetic properties（顺磁性 paramagnetism, 铁磁性 ferromagnetism）

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6. 配合物 Chemistry of Complexes

6.1 配体 Ligands

含孤电子对，可与金属离子形成配位键（coordination bond）。

单齿 monodentate：H₂O, NH₃, Cl⁻

多齿 polydentate：乙二胺 en（bidentate），EDTA⁴⁻（hexadentate）

配位数（coordination number）：6（八面体 octahedral），4（四面体 tetrahedral 或 平面方形 square planar），2（线性 linear）。

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7. 过渡金属化合物的颜色 Origin of Colour

7.1 d 轨道分裂 d-orbital splitting

自由离子：五个 d 轨道等能（degenerate）。

八面体场：dₓ²−ᵧ² 与 d_z² 能量升高，其余三个能量降低，能量差 ΔE 对应可见光波长。

吸收某色光后，电子跃迁到高能轨道，溶液呈现补色。

7.2 影响因素

金属种类

氧化态

配体种类（光谱化学序列 spectrochemical series）

几何构型 stereochemistry

光谱化学序列：I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < H₂O < NH₃ < CN⁻ < CO

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习题练习

1. 在元素周期表中，随周期数增加，下列趋势正确的是：

A. 原子半径逐渐减小

B. 第一电离能逐渐降低

C. 电负性逐渐降低

D. 金属性逐渐增强

（答案：A）

2. 下列关于 Group 1 碱金属的说法正确的是：

A. 外层电子排布 ns²

B. 具有高电负性

C. 与水反应生成氢气和碱

D. 反应活性随族向上增强

（答案：C）

3. 过渡金属离子显色的主要原因是：

A. 存在未成对的 s 电子

B. 存在未成对的 d 电子，d 轨道分裂吸收可见光

C. 配体的氧化还原性

D. 离子半径大

（答案：B）

4. 下列配体中，属于二齿配体 bidentate ligand 的是：

A. H₂O

B. NH₃

C. 乙二胺（en）H₂NCH₂CH₂NH₂

D. CN⁻

（答案：C）