6.6.5 惰性电子对效应
所谓惰性电子对效应，就是指当原子的原子序数增大，电子层数增多时，处于ns2上的两个电子的反应活性减弱，不容易成键。这个概念首先是由英国化学家西奇威克(N.V.Sudgwidn)提出来的，简单讲主要指6s2电子对的稳定性。例如碳族元素：C,Si,Ge,Sn,Pb，其中，碳和硅等前几个元素是以+4价氧化态的稳定性强，而到了后面，铅内层的6s2电子就不容易成键，铅则是以+2价氧化态的稳定性强，这就是惰性电子对效应的一个很好的表现。
6s2惰性电子对效应是由于6s电子相对于5d电子有更强的钻穿效应，受到原子核的有效吸引更大。这种效应致使核外电子向原子核紧缩，整个原子的能量下降。6s2惰性电子对效应对第六周期元素许多性质也有明显影响，如原子半径、过渡元素的低价稳定性、汞在常温下呈液态等。
【人物简介】
1.卢瑟福 1909年，卢瑟福指导他的两个学生(盖革与马斯登)在曼彻斯特大学做了著名实验：用α粒子去轰击金箔，大多数粒子都直接穿过金箔，少数只产生很小的偏转，然而极少数的粒子会反弹回去。实验表明：原子内部有很大的空隙，被反射回来的α粒子一定是碰到了质量远大于α粒子的、带正电荷的极小微粒的结果。因为α粒子的质量是电子的7000余倍，若两者相撞，只可能是电子被弹开，α粒子偏离不大。卢瑟福说：“好像你用一枚炮弹去轰击一张薄纸，而炮弹返回把你打中。”他对这一实验结果的解释：α粒子可能被质量很大但体积很小的核碰撞回来，原子核带正电荷，位于原子的中心。
2.玻尔 1885年10月7日生于丹麦首都哥本哈根。1903年进入哥本哈根大学学习物理，1909年获科学硕士学位，1911年获博士学位。由于对卢瑟福的仰慕，于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工作了4个月，当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型。人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系，但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾。这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论。玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说。在他研究原子结构问题时，就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来。在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量子条件。回到哥本哈根后，1913年初，有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料，这使他思路大开。通过对光谱学资料的考察，玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了《论原子构造和分子构造》的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。
3.德布罗依 法国物理学家，曾获得历史学学士学位。在玻尔理论遇到困难时，德布罗依于1924年提出的描述微观粒子波动性的物质波动论，为建立量子论迈出了重大的一步。由于这一理论，使他于1929年荣获诺贝尔物理学奖。1924年4月在第四届东尔维国际物理学会议上，法国物理学家朗之万向爱因斯坦谈了德布罗依的研究，引起了爱因斯坦的注意，认为德布罗依的实物粒子也具有波粒二象性的理论，“揭开了巨大面纱的一角”。爱因斯坦十分赞赏德布罗依的工作，他说：“德布罗依的工作给我留下了深刻的印象，一幅巨大帷幕的一角卷起来了。”事实上，德布罗依的工作，不仅给爱因斯坦留下了深刻的印象，而且给薛定谔以极大的启发。德布罗依的发现在两个对立的，看起来好像是互相排斥的波与微粒之间架起了一座桥梁，他是继爱因斯坦之后又进一步揭开了微观粒子波粒二象性，使量子理论的研究实现了一次重大突破，直接促进量子力学的诞生。
4.薛定谔 奥地利理论物理学家，是波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1933年和英国物理学家狄拉克共同获得了诺贝尔物理学奖，被称为量子物理学之父。1924年，法国物理学家德布罗依首先提出了物质波理论，即一切微观粒子，像光一样也都具有波粒二象性。在这一理论的基础上，薛定谔于1926年独立地创立了波动力学，提出了薛定谔方程，确定了波函数的变化规律。这与海森堡等人几乎同时创立的矩阵力学成为量子力学地双胞胎。这些理论现在已成为研究原子、分子等微观粒子的有力工具，并奠定了基本粒子相互作用的理论基础。薛定谔的理论与海森堡所发展的形式不同，这个理论的数学式子便于实际应用。
尽管形式上好像两种完全不同的理论，但是薛定谔能够证明它们在数学上是等价的。此外，在固体的比热容、统计热力学、原子光谱、镭、时间与空间等方面，薛定谔都发表过研究论文。1944年，薛定谔还发表了《生命是什么?——活细胞的物理面貌》一书。在此书中，薛定谔试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性，引进了非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式的突变等概念。这本书使许多青年物理学家开始注意生命科学中提出的问题，引导人们用物理学、化学方法去研究生命的本性，使薛定谔成了今天蓬勃发展的分子生物学的先驱。1956年奥地利政府给予他极大的荣誉，设立了以薛定谔的名字命名的国家奖金，由奥地利科学院授予。第一次奖金于1957年授予薛定谔本人。
5.门捷列夫 (D.I.Mendeleev 1836—1907)俄国化学家。门捷列夫一生在化学上贡献甚多，最大的贡献是发现化学元素周期律。他于1869年编制第一张化学元素周期表，包括当时已发现的63种元素。他指出：①按元素相对原子质量大小排列起来，元素明显出现周期性。②相对原子质量值决定元素的特征。③可预测某些未发现的元素或修改某些已测的元素相对原子质量，同时公布了第一张元素周期表。元素周期律的发现，不仅在预测元素、修正相对原子质量方面起了积极作用，更重要的是结束了几百年来无机化学研究的零乱琐碎的局面，把各种元素的大量知识系统化起来，可构成一个完整而统一的体系。此外，门捷列夫还研究气体的压力、温度和体积间的关系，发展了克拉普龙工作，确定pV=nRT方程。1860年还发现气体的临界温度和液体热膨胀的经验公式。1865年提出溶解的物理化学过程，认为溶液存在水合物，为近代溶液理论奠定了基础。门捷列夫的代表作《化学原理》是他编写的大学化学教科书，再版多次，影响颇大，曾被译成英、法等多种文字。他一生获得荣誉甚多，曾获英国皇家学会戴维奖、英国科普利奖等。1955年化学界为纪念门捷列夫发现元素周期律，将101号元素命名为钔，这是一种人工制备的放射性元素。
【阅读材料】
相对论效应
原子中，电子在核外飞快地运动。在核电荷数很大的原子即重原子中，强大的核电荷内层电子运动速度快到堪与光速相比，相对论效应影响随即而生。相对论效应源自重原子内层s电子的运动速度达到堪与光速相比的程度时，根据Einstein相对论公式：
电子的质量会相应增加并引起内层电子轨道收缩，能级下降。
例如，金和汞具有相似的电子结构：
相对论效应造成6s轨道发生收缩并趋于稳定。正是由于6s轨道的收缩及稳定化使得金的5d同6s之间的能带间隙变窄到仅为2.4eV，而银的4d同5s的能带间隙却高达3.5eV。于是，金在可见光范围内吸收蓝光，闪烁出黄灿灿的金色，这迥异于一般金属的金黄色正是相对论效应造成6s轨道收缩从而对金的颜色起了重要影响的反映。此外，6s轨道收缩能级下降，和5d轨道一起形成外层价轨道，这时金有类似于卤素的电子组态(差一个电子即为满壳层)，因此它的有些化学性质类似于卤素。例如，Au可以通过共价单键生成Au2分子，也可以同卤素一样得一电子形成一价负离子，生成RbAu和CsAu等离子化合物。
表现出相对论效应影响的另一例子是汞的状态。汞的6s轨道上有两个电子，6s轨道在收缩的同时并趋于稳定化，导致了“惰性电子对”效应。汞的6s2壳层在成键过程中呈现惰性，6s与6p能量间隔增大。只要得不到所需的激发能，具有惰性6s2壳层的汞原子之间就无法形成强键。基态汞仅靠范德华力相互维系，所以金属汞在常温下呈液态。汞与金相比，在性质上有显著差异：
神秘的未知现象——反物质?
一些科学发现，常常使人们目瞪口呆，难以置信。而正是这些难以置信的发现，推动了人们对客观世界的认识和科学的进步。反物质的发现就是这样。
1932年，美国科学家安德森发现了一种特殊的粒子，它的质量和带电量同电子一样，只是它带的是正电，而电子带的是负电。因此，人们称它为正电子。正电子是电子的反粒子。
正电子的发现引起了科学界的震惊和轰动。它是偶然的还是具有普遍性?如果具有普遍性，那么其他粒子是不是都具有反粒子?于是，科学家们在探索微观世界的研究中又增加了一个寻找的目标。
1955年，在美国的实验室中反质子被找到了。后来，又发现了反中子。20世纪60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。一个反物质的世界渐渐被科学家像考古般地“挖掘”了出来。
反物质的发现，使人们自然地联想起了20世纪的许多不解之谜。最著名的是被称为“世纪巨谜”的通古斯大爆炸。1908年6月30日凌晨，俄国西伯利亚通古斯地区的泰加森林里，突然发生了一场剧烈的大爆炸。随着一道白光闪过和一声天崩地裂般的巨响，一片沉睡的原始森林顷刻化为灰烬。大火吞没了数百千米之内的城镇和生命，融化了冰层和冻土，引起山洪暴发、江河泛滥，仿佛“世界末日”到了。据估计，这次爆炸的威力相当于上百颗氢弹一齐爆炸！
通古斯爆炸震惊了全世界，“通古斯”也一夜之间名扬全球。由于西伯利亚的严寒和交通不便，直到1921年才由苏联的一个研究小组第一次前去考察。以后世界上其他国家相继派团考察，但至今通古斯大爆炸之谜依然众说纷纭，莫衷一是。其中一种说法便认为是反物质引起的“湮灭”现象。因为这种能级的爆炸除非是流星或陨石坠落，否则无法解释，而那里却没有任何陨石碎块。
1979年9月22日，美国的一颗卫星拍摄了发生在西非沿海一带的酷似强烈爆炸的照片，经分析，它的强度相当于一次核爆炸。当时，只有美、苏、英等少数几个国家拥有核武器，谁会到如此遥远的地方进行核试验呢?美国政府几经调查，否定了核爆炸的可能性，认为是卫星和陨石撞击使仪器发错了信号，但第二年，这颗卫星又在同一海域记录到了与上次相同的现象，令政界和科学界大惑不解。对坚持通古斯大爆炸是反物质“湮灭”现象的科学家来说，又多了一个论据。
1984年4月29日晚10时许，日本一架班机飞抵美国阿拉斯加时，副机长突然发现飞机的前方有一团巨大的“蘑菇云”，而且急速向四周扩散，天空一片灰蓝…与此同时，荷兰的一架班机和这条航线上的其他两架飞机也见到了这种现象。降落后，获悉消息的美国当局立即对这四架飞机及机上人员进行放射性污染测试，结果，没有发现任何放射性污染的痕迹。目击者十分肯定地说这是核爆炸产生的烟雾，因而留下了又一个20世纪的“爆炸之谜”。
反物质的研究者认为，宇宙中存在着人们看不见摸不着的“反物质世界”，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”，外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，释放巨大能量，产生“湮灭”现象。
“反物质说”虽然只是科学上的一种假说，还有待证实，但反粒子等“负性物质”是确实存在的，而且现在又发现了反氘、反氢、反氦等一系列反物质。相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对反物质作用的认识一定会越来越深刻，反物质世界必将为人类做出应有的贡献。
【思考题】
1.原子的线状光谱说明微观粒子的什么运动特性?测不准原理又说明了什么?对电子衍射的统计性解释有什么重要意义?
2.什么是原子轨道?原子轨道由哪些量子数确定?它们的物理意义和取值及相互关系如何?
3.试区别下列名词或概念：连续光谱和线状光谱；基态原子与激发态原子；宏观物体与微观粒子；原子轨道和电子云；波函数ψ与ψ2。
(1)对单电子原子讲，哪些是简并轨道?
(2)对多电子原子讲，哪些是简并轨道?
5.什么叫屏蔽效应和钻穿效应?怎样解释同一层中的能级分裂及不同层中的能级交错现象?
6.周期表中各区元素的电子及结构有何特点?反映在化学性质上有何特点?
7.什么是价电子?主族元素和副族元素的价电子数如何确定?
8.解释Cl元素和S元素的第一电子亲和能高于F元素和O元素的原因。
9.判断下列各对元素中哪一种元素的第一电离能大，并说明原因。
S和P Al和Mg Sr与Rb Cu与Zn Cs与Au
10.解释镧系收缩现象及其结果。
11.19号元素K和29号元素Cu的最外层中都只有一个4s电子，但二者的活泼性相差很大，试从有效电荷和电离能说明之。
12.试解释为什么从混合物中分离V与N容易，而分离Nb与Ta难?
13.周期表中哪一个元素的电负性最大?哪一个元素的电负性最小?周期表从左到右和从上到下的电负性变化呈现什么规律?为什么?并说明电负性在周期表中变化规律与金属性和非金属性的关系。
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