元素周期表

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  元素周期表汉语拼音:Yuansu Zhouqibiao;英语:Elements, Periodic Table of),表达化学元素的性质随原子序数递增而呈现周期性变化的表。元素周期表曾有过多种形式,如八音律、短表、长表、宝塔式表等。目前普遍使用的形式是长表,它与元素的原子核电子排布有很好的对应关系。原子核外的电子运动状态很有规律,只能在某些特定半径、能量的轨道上运动,运动状态不同,能量不同,可以分若干层次,用K、L、M、N等表示1、2、3、4主层(电子层)。在相同的主层内,还可以分为若干电子亚层,用s、p、d、f标明,相应的满层电子数分别为2、6、10、14。主层和亚层相同的电子能量几乎相等,处于同一“能级”。凡能量差不多的能级合在一起成为一个“能级组”。

  在周期表中元素按核外电子数的多少依次排列,每种元素占一格,标明了该元素的名称、符号、原子序数及价电子组态、原子量、晶形、原子半径等。横向共7个周期,竖向共18纵列(族)。

周期

  按原子核外电子能量,元素可划分为7个能级组:1s、2s2p、3s3p、4s3d4p、5s4d5p、6s 4f 5d 6p、7s 5f 6d 7p。各能级组间能量差别较大,组内不同亚层能量差别较小。同一个能级组的元素构成一个周期。前3个周期是短周期,相应元素数是2、8、8;其余为长周期,相应元素数为18、18、32,第7周期应该有32种元素但尚未全部发现,其中自95号镅Am起的元素,都是人工合成的元素,在自然界不存在。57号元素镧La到71号元素镥Lu共15种挤在第6周期第3纵列的一个空格里,总称为镧系元素,放在周期表下方一一排开;第89~103号锕系元素也排在表的下方。

  在同周期的元素中短周期从左到右原子半径显著减小;长周期中从左到右总的趋势是半径减小,但改变缓慢;镧系、锕系元素原子半径改变更小。

  与化学反应密切有关的是那些核外电子中能量较高的外层(最外层或最外2层)电子,称为价电子或外围电子。价电子组态类同的元素,在周期表里位于同一纵列,如碱金属族元素原子的最外层电子排布都是ns1。同族元素性质相似,从上到下原子半径增大。

  18个纵列中第8~10三纵列为第Ⅷ族,其他15个纵列各标为一个族。凡价电子组态为s、p的为主族标为A,位于周期表左右两侧;凡价电子含d、f的为副族标为B,占周期表中间部位。如氟、氯是第17列的典型元素,与溴、碘、砹称为第7主族(ⅦA)元素,它们的最外层电子排布为ns2np5,共7个电子;而把外层电子排布为ns2(n-1)d5,即次外层d亚层上电子数和最外层s亚层电子数总和是7的第7列元素锰、锝、铼称为第7副族(ⅦB)。

  1989年国际纯粹与应用化学联合会的无机化学命名委员会提出用18族表示族号,即第1族是原先的ⅠA(碱金属族)、11族是原先的ⅠB(铜族),17族是原先的ⅦA(卤族)。

元素分类

  元素中绝大多数是金属,它们集中在长表的左边,金属性最强的是钫,位于周期表的左下角;少数非金属元素集中在周期表的右上部分,非金属性最强的氟位于周期表的右上角。根据充填最后1个电子能级(价电子组态)的不同可将元素分为s、p、d、f四个区。参照元素周期表纵列横行中元素间的关系,分区了解各类元素的通性和个性是掌握化学知识的有效途径。

  s区元素 最后1个电子充填在s亚层上,包含ⅠA和ⅡA两族的13种元素,它们都容易失去电子形成离子型化合物,在自然界共生。单质有轻、软、熔点低等共同的物理性质,化学性质活泼;氢氧化物都显碱性,多数盐类易溶于水。

  p区元素 最后1个电子充填在p亚层上,包括第13~18纵列的ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA和0族6个主族的元素,它们的化学性质比s区复杂得多。以硼B、硅Si、砷As、碲Te、砹At为斜角线将p区一分为二,右上方为非金属,左下方为金属,介于非金属和金属之间的是半金属,重要的半导体材料都由这条斜角线周围的元素所组成。p区元素价电子层中p电子和s电子都能参与成键,同一元素可以生成多种不同价态的化合物。其中碳C、氮N、氧O、磷P、硫S、氯Cl等都是常见而有广泛应用价值的元素。0族元素为稀有气体,其sp外层已充满,化学性质呈惰性。

  d区(包括ds区)元素 最后1个电子充填在d亚层上,位于周期表中间位置,由第3纵列ⅢB至第12纵列ⅡB,共10个纵列的元素,它们都是副族元素,又称过渡元素。因它们外围电子排布差别主要在次外层上,所以(同周期内)从左到右相邻元素性质差别较小,甚至出现相邻元素性质的相似性超过同族元素性质的相似性。由于np和nd能级都空着,并且次外层的(n-1)d也未完全充满,这些空的能级既可容纳激发电子,也可参与多种形式的杂化,然后与其他原子形成化学键。变价多,容易形成比较复杂的配合物,化合物颜色多样。由于镧系收缩致使第6周期铪Hf、钽Ta、钨W的原子半径分别和第5周期同族的锆Zr、铌Nb、钼Mo的原子半径相近,因此铪和锆、钽和铌、钨和钼之间的化学性质非常相似,并且也因此第6周期从铪开始都是很重的金属,其中最重的是锇Os,密度22.48克/厘米3。熔点最高的、硬度最大的金属也在这个区里。各式各样新材料如催化剂、超导体、高能电池、高温合金等都与d区元素有关。

  f区元素 最后1个电子充填在f亚层上,包含第3纵列第6周期镧系和第7周期锕系的30种元素,又称内过渡元素。因最外2层电子排布相同,所以镧系元素性质相互间极为相似,性质复杂多变,在自然界共生,分离提纯相当困难。