1、第四节 元素周期表根据元素周期律，把电子层数目相同的各种元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成横行，再把不同横行中最外层的电子数相同的元素，按电子层数递增的顺序由上而下排成纵行，这样就可以得到一个表，这个表就叫做元素周期表（见附录：元素周期表） 。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，是我们学习化学的重要工具。下面我们来学习元素周期表的有关知识。一元素周期表的结构1周期元素周期表有 7 个横行，也就是 7 个周期。具有相同的电子层数的元素按照原子序数递增的顺序排列的一个横行称为一个周期。周期的序数就是该周期元素具有的电子层数。除第 1 周期只包括氢和氦、第 7
2、周期尚未填满外，每一周期的元素都是从最外层电子数为 1 的碱金属开始，逐渐过渡到最外层电子数为 7 的卤素，最后以最外层电子数为 8 的稀有气体元素结束。讨论参照元素周期表，对表 5-11 的有关项目进行讨论，并将讨论结果填入表5-11 中。表 5-11 周期表的有关知识类别 周期序数 起止元素 包括元素种数 核外电子层数短周期 123 HHe 2 1长周期 456 不完全周期 7 Fr109 号 第 6 周期中，57 号元素镧（La）到 71 号元素镥（Lu），共 15 种元素，它们原子的电子层结构和性质十分相似，总称镧系元素。第 7 周期中，89 号元素锕（Ac）到 103 号元素铹（Lr
3、），共 15 种元素，它们原子的电子层结构和性质也十分相似，总称锕系元素。为了使表的结构紧凑，将全体镧系元素和锕系元素分别按周期各放在同一个格内，并按原子序数递增的顺序，把它们分两行另列在表的下方。在锕系元素中 92 号元素铀（U）以后的各种元素，多数是人工进行核反应制得的元素，这些元素又叫做超铀元素。2族周期表有 18 个纵行。除第 8、9、10 三个纵行叫做第族元素外，其余 15个纵行，每个纵行标作一族。族又有主族和副族之分。由短周期元素和长周期元素共同构成的族，叫做主族；完全由长周期元素构成的族，叫做副族。主族元素在族序数（习惯用罗马数字表示）后标一个 A 字，如A、A；副族元素在族序数
4、后标一个 B 字，如B、B。稀有气体元素的化学性质非常不活泼，在通常状况下难以与其他物质发生化学反应，把它们的化合价看作为0，因而叫做 0 族。元素周期表的中部从B 族到B 族 10 个纵行，包括了第族和全部副族元素，共六十多种元素，通称为过渡元素。这些元素都是金属，所以又把它们叫做过渡金属。二元素的性质与元素在周期表中位置的关系元素在周期表中的位置，反映了该元素的原子结构和一定的性质。因此，可以根据某元素在周期表中的位置，推测它的原子结构和某些性质；同样，也可以根据元素的原子结构，推测它在周期表中的位置。1元素的金属性和非金属性与元素在周期表中位置的关系在同一周期中，各元素的原子核外电子层数
5、虽然相同，但从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强，因此，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，这可以从第 3 周期（11号18 号）元素性质的递变中得到证明。在同一主族的元素中，由于从上到下电子层数依次增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，所以，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱，这可以从碱金属和卤素性质的递变中得到证明。副族和第族元素性质的变化规律比较复杂，这里就不讨论了。我们还可以在周期表中对金属元素和非金属元素进行分区（表 5-12）。沿着周期表中硼、硅、砷、碲、砹跟铝、锗、锑、钋之间画一条虚线，虚线的左面是金属元
6、素，右面是非金属元素。周期表的左下方是金属性最强的元素，右上方是非金属性最强的元素。最右一个纵行是稀有气体元素。由于元素的金属性和非金属性之间没有严格的界线，因此，位于分界线附近的元素，既能表现出一定的金属性，又能表现出一定的非金属性。讨论元素周期表中什么元素的金属性最强？什么元素的非金属性最强？为什么？2元素化合价与元素在周期表中位置的关系元素的化合价与原子的电子层结构，特别是与最外电子层中电子的数目有密切关系，因此，元素原子的最外电子层中的电子，也叫做价电子。在周期表中，主族元素的最高正化合价等于它所在的族序数，这是因为族序数与最外层电子（即价电子）数相同。非金属元素的最高正化合价，等于原
7、子所能失去或偏移的最外层上的电子数；而它的负化合价，则等于使原子最外层达到 8 个电子稳定结构所需要得到的电子数。因此，非金属元素的最高正化合价和它的负化合价的绝对值之和等于 8。副族和第族元素的化合价比较复杂，这里就不讨论了。三元素周期律和元素周期表的意义历史上，为了寻求各种元素及其化合物间的内在联系和规律性，许多人进行了各种尝试。1869 年，俄国化学家门捷列夫在前人探索的基础上发现了元素周期律，并编制了第一个元素周期表。直到 20 世纪原子结构理论有了发展之后，元素周期律和元素周期表才发展成为现在的形式。元素周期律的发现，对于化学的发展有很大的影响。元素周期表是学习和研究化学的一种重要工
8、具。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间的内在联系，是对元素的一种很好的自然分类。我们可以利用元素的性质、它在周期表中的位置和它的原子结构三者之间的密切关系，来指导我们对化学的学习和研究。过去，门捷列夫曾用元素周期律来预言未知元素并获得了证实。此后，人们在元素周期律和周期表的指导下，对元素的性质进行了系统的研究，对物质结构理论的发展起了一定的推动作用。不仅如此，元素周期律和周期表为新元素的发现及预测它们的原子结构和性质提供了线索。元素周期律和周期表对于工农业生产也具有一定的指导作用。由于在周期表中位置靠近的元素性质相近，这样，就启发了人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。例
9、如，通常用来制造农药的元素，如氟、氯、硫、磷等在周期表里占有一定区域。对这个区域里的元素进行充分的研究，有助于制造出新品种的农药。又如，可以在周期表里金属与非金属的分界处找到半导体材料，如硅、锗、硒、镓等。我们还可以在过渡元素中寻找催化剂和耐高温、耐腐蚀的合金材料，等等。元素周期律的重要意义，还在于它从自然科学方面有力地论证了事物变化中量变引起质变的规律性。选学元素周期律的发现从 18 世纪中叶到 19 世纪中叶这 100 年间，随着生产和科学技术的发展，新的元素不断地被发现。到 1869 年，人们已经知道了 63 种元素，并积累了不少对这些元素的物理、化学性质的研究材料。因此，人们产生了整理
10、和概括这些感性材料的迫切要求。在寻找元素性质间的内在联系的同时，提出了将元素进行分类的各种学说。1829 年，德国人德贝莱纳（Dobereiner，17801849）根据元素性质的相似性提出了“三素组”学说。他归纳出了 5 个“三素组”：Li Na K，Ca Sr Ba， P As Sb， S Se Te， Cl Br I。在每个“三素组”中，中间元素的相对原子质量约是其他两种元素相对原子质量的平均值，而且性质也介于其他两种元素之间。但是，在当时已经知道的 54 种元素中，他却只能把 15 种元素归入“三素组”，因此，不能揭示出其他大部分元素间的关系。但这却是探求元素性质和相对原子质量之间关系
11、的一次富有启发性的尝试。1864 年，德国人迈耶耳（Meyer，18301895）发表了六元素表。在表中，他根据相对原子质量递增的顺序把性质相似的元素六种、六种地进行分族。但六元素表包括的元素并不多，还不及当时已经知道的元素的一半。1865 年，英国人纽兰兹（Newlands，18371898）把当时已知的元素按相对原子质量由小到大的顺序排列，发现从任意一种元素算起，每到第八种元素就和第一种元素的性质相似，犹如八度音阶一样，他把这个规律叫做“八音律”。但是，由于他没有充分估计到当时的相对原子质量测定值可能有错误，而是机械地按相对原子质量由小到大排列，他也没有考虑到还有未被发现的元素，没有为这些
12、元素留下空位。因此，他按“八音律”排的元素表在很多地方是混乱的，没能正确地揭示出元素间的内在联系的规律。1869 年，门捷列夫在批判和继承了前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析和概括，成功地对元素进行了科学分类。他总结出一条规律：元素（以及由它所形成的单质和化合物）的性质随着相对原子质量的递增而呈周期性的变化。这就是元素周期律。他还根据元素周期律编制了第一张元素周期表，把已经发现的 63 种元素全部列入表里。他预言了类似硼、铝、硅的未知元素（门捷列夫叫它们为类硼、类铝和类硅元素，即以后发现的钪、镓、锗）的性质，并为这些元素在表中留下了空位。他在周期表中也没有机械地完全按照相对原子质
13、量数值由小到大的顺序排列，并指出了当时测定的某些元素的相对原子质量数值有错误。若干年后，他的预言都得到了证实。门捷列夫工作的成功，引起了科学界的震动。人们为了纪念它的功绩，就把元素周期律和周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。但是由于时代的局限，门捷列夫揭示的元素内在联系的规律还是初步的，他未能认识到形成元素性质周期性变化的根本原因。20 世纪以来，随着科学技术的发展，人们对于原子的结构有了更深刻的认识。人们发现，引起元素性质周期性变化的本质原因不是相对原子质量的递增，而是核电荷数（原子序数）的递增，也就是核外电子排布的周期性变化。这样才把元素周期律修正为现在的形式，同时对于元素周
14、期表也作了许多改进，如增加了 0 族等。习 题一填空题1元素周期表中共有_个横行，即_个周期。除第一和第七周期外，每一周期的元素都是从_元素开始，以_元素结束。2同一周期的主族元素，从左到右，原子半径逐渐_；失电子能力逐渐_，得电子能力逐渐_；金属性逐渐_，非金属性逐渐_。3同一主族元素，从上到下原子半径逐渐_；失电子能力逐渐_，得电子能力逐渐_；金属性逐渐_，非金属性逐渐_。4主族元素的最高正化合价一般等于其_序数，非金属元素的负化合价等于_。5卤族元素的原子最外层上的电子数是_，其中，非金属性最强的是_。卤素的最高价氧化物对应水化物的通式是_（以 X 表示卤素）。6填表原了结构示意图周期
15、族 元素名称和符号 最高正化合价 最高价氧化物的化学式 最高价氧化物对应的水 化物的化学式及酸碱性7A、B、C、D 都是短周期元素。A 元素的原子核外有两个电子层，最外层已达到饱和。B元素位于 A 元素的下一周期，最外层的电子数是 A 元素最外层电子数的1/2。C 元素的离子带有两个单位正电荷，它的核外电子排布与 A 元素原子相同。D 元素与 C 元素属同一周期，D 元素原子的最外层电子数比 A 的最外层电子数少1。根据上述事实判断：A_，B_，C_，D_。B 元素位于_周期_族，它的最高价氧化物的化学式是_，最高价氧化物的水化物是一种_酸。二问答题1比较下列各组中的两种元素，哪一种元素表现出
16、更强的金属性或非金属性。（1） Na、K （2） B、Al（3）P、Cl （4） O、S（5） S、Cl2根据元素在周期表中的位置，判断下列各组化合物的水溶液，哪种酸性较强？哪种碱性较强？（1）H 3PO4和 HNO3（2）Ca（OH） 2和 Mg（OH） 2（3）Al（OH） 3和 Mg（OH） 23已知元素 A、B、C、D 的原子序数分别为 6、8、11、13，回答：（1）它们各是什么元素？（2）不看周期表，你如何来推断它们各位于哪一周期，哪一族？（3）写出单质 A 与 B、B 与 C、B 与 D 反应的化学方程式。三某元素 A，它的最高价氧化物的化学式是 A2O5，气态氢化物里氢的质量分数为 8.82。A 是什么元素？指出它在周期表中的位置。 元素周期表有不同的形式，本书采用的是其中一种常见的形式。
