周期性规律 — AP 化学

1. 核心概念：有效核电荷 ★★☆☆☆ ⏱ 3 min

所有周期性规律都源于有效核电荷的差异：有效核电荷是价电子受到原子核的净正吸引力，已扣除内层核心电子的屏蔽效应。

Z_{eff} = Z - S

$Z_{eff}$的变化规律一致：同一周期从左到右，每个元素的$Z$增加1，而核心电子数（因此$S$）保持不变，因此$Z_{eff}$稳定增加。同一族从上到下，$Z$增加，但$S$也增加了一整个新电子层的电子数，因此对于大多数族，$Z_{eff}$几乎保持不变，仅略有增加。

Exam tip: 在AP自由作答题（FRQ）中，只说“这符合周期性规律”是得不到论证分的。一定要明确将性质和$Z_{eff}$、屏蔽效应联系起来才能得满分。

2. 原子半径与离子半径 ★★★☆☆ ⏱ 4 min

原子半径的变化规律直接由$Z_{eff}$和主量子数$n$决定：同一周期从左到右，$Z_{eff}$增大，将价电子拉得更靠近原子核，因此原子半径减小。同一族从上到下，价电子位于能量更高的能级，平均离核距离更远，该效应盖过了$Z_{eff}$的小幅增加，因此原子半径从上到下递增。

离子半径还有额外规则：阳离子比母体中性原子更小（失去了整个价电子层，每个电子对应的$Z_{eff}$更高）。阴离子比母体中性原子更大（在价电子层增加了电子，$Z$不变的情况下电子-电子排斥增加）。对于等电子离子（电子数相同的离子），离子半径随原子序数增大而减小，因为更高的$Z$带来更高的$Z_{eff}$，会将相同数目的电子拉得更近。

Exam tip: 排序半径时一定要先检查是否为等电子离子。学生经常直接套用一般原子半径规律，忽略电子数相同的离子遵循不同规则。

3. 第一电离能 ★★★☆☆ ⏱ 4 min

X(g) \rightarrow X^+(g) + e^- \quad \Delta H = IE_1

一般规律由$Z_{eff}$和半径决定：同一周期从左到右$IE_1$总体递增（$Z_{eff}$更高，对电子束缚更紧，因此移除电子需要更多能量），同一族从上到下$IE_1$递减（价电子离核更远，更容易被移除）。

AP化学常考一般规律的两种常见例外：(1) 同周期第13族元素的$IE_1$低于第2族，因为第13族被移除的电子位于能量更高的p轨道，而第2族价电子都在能量更低的s轨道。(2) 同周期第16族元素的$IE_1$低于第15族，因为第15族具有稳定的半充满p亚层，而第16族有一个成对p电子，该电子受到额外的电子-电子排斥，因此更容易被移除。

Exam tip: 论证电离能例外时一定要写出价电子构型。AP阅卷人明确要求必须关联电子构型才能给分。

4. 电子亲和能与电负性 ★★★★☆ ⏱ 3 min

X(g) + e^- \rightarrow X^-(g) \quad \Delta H = EA

EA的一般规律是：同一周期从左到右EA越来越负（亲和性越高），同一族从上到下越来越负得少（亲和性越低）。常见例外和电离能类似：稀有气体EA为正（添加电子需要将电子放入新的更高能层，因此过程不利），第2族EA比第1族更不负（亲和性更低），第15族EA比第14族更不负（亲和性更低）。

电负性和$IE_1$的一般规律相同：同一周期从左到右EN递增，同一族从上到下EN递减。氟是周期表中电负性最高的元素，钫是最低的。关键区别：电子亲和能描述孤立气态原子得到电子的过程，而电负性描述分子中原子对成键电子的吸引能力。

Exam tip: 不要将电子亲和能和电负性混淆：混淆这两个定义会在FRQ中丢分。