hce_kmu
107年
物理及化學
第 24 題
Which elements are most similar in atomic size?
- A $\text{Li } (Z = 3)$ and $\text{Na } (Z = 11)$
- B $\text{B } (Z = 5)$ and $\text{Al } (Z = 13)$
- C $\text{Co } (Z = 27)$ and $\text{Rh } (Z = 45)$
- D $\text{Zr } (Z = 40)$ and $\text{Hf } (Z = 72)$
- E $\text{Be } (Z = 4)$ and $\text{F } (Z = 9)$
思路引導 VIP
在週期表中，當我們從第五週期移向第六週期時，原子核內的質子數（核電荷）大幅增加，同時也多了一層電子層。正常情況下原子應該會明顯變大，但如果中間新加入的那幾層電子『擋不住』強大核電荷的引力（也就是屏蔽效果很差），你認為這會對原子的體積產生什麼樣的影響？這種影響是否可能抵銷掉增加電子層帶來的體積增長？
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恭喜你答對了！這顯示你對週期表的進階趨勢有著非常敏銳且精確的觀察力。這道題目的核心在於考察學生是否能辨識出週期表中的特殊現象，而非僅僅依賴「越往下原子越大」的通則。
鑭系收縮的關鍵影響
在正常情況下，同族元素由上而下因為電子層數增加，原子半徑通常會顯著增大，例如選項 (A) 的 $\text{Li}$ 與 $\text{Na}$。然而，這題的正確答案 $\text{Zr } (Z = 40)$ 與 $\text{Hf } (Z = 72)$ 之間存在著著名的鑭系收縮 (Lanthanide Contraction) 現象。由於 $\text{Hf}$ 在填充電子時先填滿了 $4f$ 軌域，而 $4f$ 電子對核電荷的屏蔽效果（shielding effect）非常差，導致核電荷對外層電子的吸引力大增，抵銷了增加電子層所帶來的體積膨脹。因此，這兩者的原子半徑幾乎完全相同。
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