元素周期律：原子半径、电离能、电负性和电子亲和能

元素周期表的强大之处，在于它能让你根据邻近元素推断一种元素的性质。这种推断的依据就是一组 周期性规律。原子的大小、移走一个电子所需的能量，以及原子对共用电子的吸引力，都会沿着横行和纵列朝固定的方向变化。本指南介绍四种主要规律、背后的原因，以及打破规律的例外。

一切规律的根源：有效核电荷与屏蔽

外层电子受到带正电的原子核的吸引，但位于两者之间的内层电子会抵消一部分吸引力。因此，外层电子实际感受到的正电荷小于完整的核电荷。这就是 有效核电荷 Z_eff，可以近似表示为：

Z_eff ≈ Z − S

其中Z是原子序数，S是屏蔽常数。同一层的电子彼此屏蔽的效果很差，而内层电子对外层电子的屏蔽则很有效。

按照一套简单的估算方法——斯莱特规则，锂的2s电子感受到的Z_eff约为1.3，而同一周期中氟的2p电子感受到的约为5.2。沿周期向右移动，每次增加一个质子，但新增的电子进入同一层，几乎不增加屏蔽。因此，有效核电荷在同一周期中从左到右增大。 沿族向下移动，每次都会增加一个新的电子层，外层电子离原子核更远。

这两个事实——越往右吸引越强，越往下外层电子越远——几乎可以解释下面所有的规律。

1. 原子半径

• 同一周期（从左到右）：减小，因为增大的Z_eff把电子云向内拉。
• 同一族（从上到下）：增大，因为电子层增加了。

最大的原子位于左下方（铯、钫），最小的位于右上方（氦、氟）。原子没有清晰的边界，所以“半径”取决于测量方式：共价半径、金属半径和范德华半径都各不相同。比较不同来源的数据时，要确认它们指的是同一种半径。

离子的大小与其母体原子不同。阳离子失去了电子，因而更小；阴离子增加的电子彼此排斥，电子云膨胀，因而更大。在电子数相同的等电子离子中，质子越多，离子越小。在含10个电子的O²⁻、F⁻、Na⁺和Mg²⁺中，O²⁻最大，Mg²⁺最小。

在d区中，半径的变化只是渐进的；d电子屏蔽效果差，还会造成一些反常现象，例如镓的大小与铝几乎相同。在第6周期，镧系收缩使铪的大小与锆几乎相同。

2. 电离能

电离能 是从气态原子中移走一个电子所需的最低能量。电子被束缚得越紧，电离能越大。

• 同一周期：总体上增大。
• 同一族：减小。

第2周期元素的第一电离能（单位：电子伏特）同时展示了规律和它的例外。

总体上升的趋势被打断了两次。

• 铍 > 硼：从硼中移走的是一个2p电子，它的能量比2s高，又被2s电子对部分屏蔽，因此更容易被移走。
• 氮 > 氧：氮的三个2p轨道中各有一个电子。而在氧中，第四个2p电子必须与已占据轨道中的电子配对，额外的排斥使它更容易被移走。

同样的模式在第3周期的镁与铝之间、磷与硫之间再次出现。

依次移走电子，就得到第二、第三以及更高的电离能。镁的第一电离能约为7.6 eV，第二电离能约为15.0 eV，但第三电离能却跃升到80 eV以上，因为第三个电子必须从稳定的类氖内层中移走。这一突然的跃升，正是镁倾向于形成Mg²⁺的数值证据。

3. 电负性

电负性 描述的是化学键中的原子把共用电子对拉向自己的能力有多强。与电离能不同，它不是直接测量得到的，而是由其他数据推导出的相对标度。最常用的是莱纳斯·鲍林提出的鲍林标度。

• 同一周期：增大。
• 同一族：减小。

氟的电负性最高，为3.98，其次是氧（3.44）、氯（3.16）和氮（3.04）。另一端是铯（0.79）和钫（0.7）。大多数稀有气体几乎不形成化学键，通常不给出数值。

两个原子之间的电负性差可以说明化学键的性质。差值小，形成电子均匀共享的非极性共价键；差值较大，形成极性共价键；差值非常大，则形成本质上是离子键的键。水之所以是极性分子、能很好地溶解食盐，正是因为氧（3.44）和氢（2.20）之间的差距。

4. 电子亲和能

电子亲和能 是气态原子获得一个电子时释放的能量。数值越大，原子越容易接受电子。

• 同一周期：总体上增大，在第17族达到峰值。
• 同一族：总体上减小，但例外很多。

最著名的例外是 氯的电子亲和能比氟高（氯约3.6 eV，氟约3.4 eV）。氟原子太小，进入的电子被挤进紧凑的2p亚层，受到强烈的排斥。不过氟的电负性和反应活性仍然更高，因为键能、原子大小等其他因素也在起作用。

第2族元素（s亚层全满）、第15族的氮（p亚层半满）和稀有气体（电子层全满）获得电子时几乎不释放能量，甚至需要吸收能量。它们的电子亲和能接近零或为负值，有些数据来源会留空。

把规律与金属性联系起来

把这四种规律综合起来，就得到了金属性的变化规律。电离能低、电负性低的元素容易失去电子，金属性强。所以金属性向左下方增强，非金属性向右上方增强。正是这种对角线方向的变化，在p区中形成了类金属的阶梯。

小结

与其死记这张表，不如练习从两句话出发推导每一条规律：有效核电荷越往右越大，电子层越往下越多。这样，例外也就讲得通了。不妨比较同一周期或同一族元素的电离能和电负性，亲自看看其中的规律。