如何比较元素非金属性的强弱

如何比较元素非金属性的相对强弱？
黄明建
一、原子得电子能力的强弱是元素非金属性强弱的本质反映
原子得电子能力的强弱与元素非金属性的强弱正相关，即：
元素原子得电子的能力越强，元素的非金属性就越强。
而原子得电子能力的强弱是由原子结构决定的。
对于原子核外电子层数相同的元素来说，核电荷数越大，原子半径越小，核对外层电子的吸引力越大，原子得电子的能力就越强，元素的非金属性越强；
Cl＞BrCl＞S
反应③是以Br2作氧化剂，从KI溶液中置换出I2；反应④是以O2作氧化剂，从氢硫酸中置换出S；表现出Br比I原子得电子能力强、O比S原子得电子能力强，所以元素的非金属性强弱次序是：
Br＞IO＞S
但是，有些置换反应就不宜用于判断元素非金属性的相对强弱。例如：
I2+ 2KClO3＝Cl2+ 2KIO3………………⑤
同时，卤化氢的热稳定性也与元素的非金属性正相关。因此，气态氢化物的稳定性常常也被作为比较元素非金属性的一种判断依据。
但是，气态氢化物的稳定性与分子内原子间的成键方式和键焓（或键能）大小等因素有着密切关系。例如：常见化学键的键焓中，C－H的键焓为415kJ·molˉ1，N－H的键焓为389kJ·molˉ1。CH4需在1000℃开始分解，约1500℃才基本分解完全。NH3在700℃时就会明显分解。2007年某地高考题认为“氢化物的稳定性顺序为：CH4＜NH3”，应当是一种惯性思维的错觉所致。
例如，醋酸（CH3COOH）在水中是一种弱酸，而在液氨中则是一种较强的酸，因为液氨接受质子的能力比水强。如果以液态HF作溶剂，CH3COOH就成弱碱了，因为液态HF比CH3COOH提供质子能力强，不仅能抑制CH3COOH的电离，还能使CH3COOH分子接受质子，迫使CH3COOH进入碱的行列。
在中学比较酸碱强弱，都是以水为溶剂的分散系来讨论的，而H2O是一种接受质子能力较强的物质，能使HClO4和H2SO4完全电离，所以无法区分它们酸性的相对强弱，这种现象被称作“拉平效应”。就好像一台称重范围在100g～1g之间的天平，对大于100g的不同质量物质就只能都“拉平”为100g了。要想区分大于100g的不同质量物质只有换一台天平。在化学上，要想区分HClO4和H2SO4的相对强弱，可用醋酸为溶剂，因为HClO4、H2SO4在醋酸中均不能完全电离。如HClO4在醋酸中的电离方程式：
对于原子最外层电子数相同（或外围电子层排布相似）的元素来说，核外电子层数越多，原子半径越大，核对外层电子的吸引力越小，原子得电子的能力就越弱，元素的非金属性越弱。
据此，“非金属单质与化合物间的置换反应”就常常成为判断元素非金属性强弱的一个重要依据。
二、以置换反应判断元素非金属性强弱需注意的问题
以置换反应作为判断元素非金属强弱的依据，须有一个大前提——非金属单质在反应中是作氧化剂，这样才能保证据此判断的结果不与元素非金属性强弱的本质相悖。
三、以元素最高价氧化物的水化物酸性比较元素非金属性的相对强弱
可以认为：主族元素最高价氧化物的水化物酸性能够间接地反映原子得电子能力的相对强弱。例如——
酸性强弱次序：HClO4＞H2SO4＞H3PO4＞H2CO3＞H2SiO3
元素非金属性：Cl＞S＞P＞C＞Si
一般而言，主族元素的原子得电子能力越强，其最高价氧化物的水化物就越容易电离出H+，酸性就越强。
例如，下面几个反应：
Cl2+ 2NaBr＝2NaCl + Br2………………①
Cl2+ H2S＝2Fra Baidu bibliotekCl + S↓………………②
Br2+ 2KI＝2NaBr + I2………………③
O2+ 2H2S＝2H2O + 2S↓………………④
反应①②均是Cl2作氧化剂，分别从NaBr溶液和氢硫酸中置换出Br2和S，表现出Cl比Br和S原子得电子能力都要强，所以元素的非金属性强弱次序是：
2C + SiO2=== 2CO + Si………………⑥
显然，我们不能因为反应⑤来判断碘元素比氯元素的非金属性强。因为该反应中，碘单质中的碘原子并没有从KClO3中的氯原子哪里夺得电子，反而是ClO3－中+5价的氯原子得电子被还原为Cl2。所以，不能机械地利用该反应比较碘与氯的非金属性强弱。
反应⑥中置换反应的次序与“碳元素比硅元素的非金属性强”的结论虽然是一致的。但仔细分析就会发现，这个反应与前面的①②③④几个反应有着本质上的差异：碳原子在反应中不仅没有表现出得电子能力比硅原子强的性质，反而是提供出电子使硅还原为硅单质。所以，该反应也不宜用于比较碳与硅的非金属性强弱。为什么反应⑥能够发生？原因应该从自由能变化方面分析。
分析元素在周期表中的排列位置和性质的关系，还会发现一个有趣的现象：
各主族元素性质的变化在周期表中呈现两极——越往左下角的元素，其金属性越强，非金属性逐渐减弱；越往右上角排的元素，其非金属性越强，金属性越弱。犹如一幅奇妙的太极图，而F和Cs如同两极的中心。
参考书目：
宋心琦王晶《化学2》（必修），人民教育出版社，2007，15-18
近年高考命题也常涉及化学变化事实与结论关系的讨论，即前面的提供的实验事实和后面的结论有无因果关系，实际要考查的就是学生的逻辑思维能力，值得关注。
此外，我们通过反应③还可以注意到：原子得电子的能力大小并不是以单个原子得电子数目的多少决定，而是由原子得电子的难易决定。1个Cl原子最多只能得1个电子，1个S原子最多能得到2个电子，可是当－2价S遇到Cl原子时，不得不“缴械”投降。顺便提一下：反应③中，若是与氢硫酸反应的Cl2足够多的话，其产物还有可能是H2SO4。
不过，在中学化学中的H2SO4、HClO4都属于强酸，在稀的水溶液中几乎都是100%电离。那凭什么说HClO4比H2SO4的酸性强呢？这需要借助酸碱质子理论解释。
酸碱质子理论认为：
凡是能给出质子（H+）的分子或离子都是质子给体，称为酸；凡是能与质子结合的分子或离子都是质子受体，称为碱。
酸碱强弱不仅决定于酸碱本身释放质子和接受质子的能力，同时也取决于溶剂接受和释放质子的能力。
HClO4+ CH3COOH⇌[CH3C(OH)2]++ ClO4－
其酸性强弱次序是：HClO4＞H2SO4，它们在醋酸中摩尔电导率的比值为：
HClO4∶H2SO4＝40∶3
由此可以说明HClO4比H2SO4酸性强的原因。
四、以单质与H2反应形成气态氢化物的难易比较元素非金属性的相对强弱
卤素单质与H2反应生成气态氢化物的难易主要决定于卤素原子得电子能力强弱，能很好地说明元素非金属性强弱与原子结构的对应关系。
王磊《化学2》（必修），山东科学技术出版社，2004，19-23
华彤文陈景祖等《普通化学原理》（第3版），北京大学出版社，2005，158-162，93
大连理工大学无机化学教研室《无机化学》（第5版），2006，100-111
唐宗薰《中级无机化学》，高等教育出版社，2003，89-90
周公度《化学辞典》（第二版），化学工业出版社，317
五、以元素在周期表中的位置判断元素非金属性的相对强弱
用元素周期表反映元素周期律有多种形式，目前在各类教科书中最常用的是长式周期表（如上图所示）。在同周期中，从碱金属到卤素，随着原子核电荷数的递增，元素的非金属性逐渐增强，金属性逐渐减弱；在同主族元素中，从上到下，随着原子核外电子层数的递增，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。