对目前已确认的112种元素,根据元素周期律,先把电子层数相同的元素,按原子序数递增的顺序从左到右排成横行,再将不同横行中最外层电子数相同和性质相似的元素,按电子层数递增的顺序由上而下排成纵列,制成的一张元素表称为元素周期表(彩图)。
元素周期表是元素周期律的具体表现形式,反映了元素间相互联系及发展变化的规律,是学习化学及有关学科的重要工具。
(一)元素周期表的结构
1.周期 周期表中共有7个周期,一个横行称为一个周期。把具有相同的电子层数又根据原子序数递增顺序排列的一组元素称为一个周期。依次用阿拉伯数字1,2,3……7表示。周期序数等于该周期元素原子具有的电子层数。
各周期元素的数目不完全相同。第1周期只有2种元素,第2周期和第3周期各有8种元素,第4周期和第5周期各有18种元素,第6周期有32种元素,第7周期目前只有26种元素,还未填满。第1、2、3周期含元素数目较少称为短周期,第4、5、6周期含元素数目较多称为长周期,未填满的第7周期称为不完全周期。
第6周期中,从57号元素镧(La)至71号元素镥(Lu),总计15种元素,它们原子的电子层结构和性质十分相似,总称为镧系元素。第7周期中,从89号元素锕(Ac)至103号元素铹(Lr),总计15种元素,它们原子的电子层结构和性质也十分相似,总称为锕系元素。为使周期表的结构紧凑,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。
2.族 周期表中共有16个族。在周期表中有18个纵行,除第8、9、10三个纵行总标为一个族外,其余15个纵行,各标为一个族。族的序数用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等表示。
(1)主族:由短周期元素和长周期元素共同构成的族,称为主族。共有7个主族。主族元素的族序数用A标明,如ⅠA、ⅡA……ⅦA。主族序数等于该主族元素原子的最外层电子数。
(2)副族:完全由长周期元素构成的族,称为副族。共有7个副族。副族元素的族序数用B标明,如ⅠB、ⅡB……ⅦB。
(3)第Ⅷ族:第8、9、10纵行在周期表中构成的一个族,称为第Ⅷ族。全部由长周期元素构成,共有9种元素。
元素周期表中部的第Ⅷ族和全部副族元素,共计60多种元素,通称为过渡元素。这些元素都是金属,所以又把它们称为过渡金属元素。
(4)0族:由稀有气体元素构成的族,称为0族。这些元素原子的最外层电子结构为稳定结构,化学性质很不活泼,一般难以和其他物质发生化学反应,它们的化合价通常为0价,因此称为0族。
重点提示
元素周期表的结构要掌握7个周期中有3个短周期、3个长周期和1个不完全周期,16个族中有7个主族、7个副族、1个第Ⅷ族和1个0族;掌握周期序数与电子层数的关系及主族序数与最外层电子数的关系。
(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,决定了该元素的原子结构和一定的性质。所以,可根据某元素在周期表中的所处位置,推测它的原子结构和某些性质。下面以元素的金属性和非金属性为例,来说明周期表中元素的性质及递变规律。
元素金属性的强弱,可从其单质跟水或酸反应置换出氢气的难易程度,以及它的最高价氧化物的水化物——氢氧化物的碱性强弱来判断。而元素非金属性的强弱,可从其单质跟氢气生成气态氢化物的难易程度以及氢化物的稳定性,以及它的最高价氧化物的水化物——含氧酸的酸性强弱来判断。
1.同周期元素性质的递变规律 在同一周期中,各元素原子的核外电子层数相同,而从左至右,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。故得出结论:同周期元素从左到右,金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。这个结论可从第3周期(11～18号)元素性质的递变中得到证明。
(1)第11号元素钠是非常活泼的金属元素。
【实验2-1】 取一个盛有少量水的小烧杯,用镊子取金属钠约绿豆大1块,用滤纸吸干表面的煤油,放入烧杯后,观察现象。向反应后的溶液中加入2滴酚酞试液,仔细观察颜色变化。
实验表明,金属钠与冷水可剧烈反应,钠粒熔化成液态,变成小球,受到生成氢气的推动在水面上快速游动,发出轻微的嘶嘶声。生成的氢氧化钠是强碱,加入酚酞试液呈红色。
(2)第12号元素镁是活泼金属元素。
【实验2-2】 取两小段镁带,用砂纸摩擦去掉表面的氧化膜,放入试管内。向试管中加入3ml水,并滴入2滴酚酞试液,观察现象。然后,加热试管到水沸腾,再观察现象。
实验表明,镁的单质不易跟冷水反应,但能跟沸水起化学反应,放出氢气,溶液遇酚酞呈淡红色。生成的氢氧化镁的碱性比氢氧化钠弱,说明镁的金属活动性不如钠强。
(3)第13号元素铝是金属元素。
【实验2-3】 取1小段镁带和1小块铝片,用砂纸摩擦去掉表面的氧化膜,分别放入两支试管内,各加2ml1mol/L盐酸,观察现象。
实验表明,铝和镁都能跟盐酸反应,置换出氢气,但镁跟酸的反应比铝与酸的反应剧烈,说明铝的金属活动性不如镁强。
铝的氧化物(Al2O3)既能跟酸反应,又能跟碱反应,表现出两性,称两性氧化物。
【实验2-4】 在试管内加入少量AlCl3溶液,再滴加NaOH稀溶液到产生大量Al(OH)3白色絮状沉淀为止。将Al(OH)3沉淀分盛在两支试管中,然后分别加入稀H2SO4溶液和过量的NaOH溶液,观察现象。
实验表明,铝的氧化物对应的水化物氢氧化铝[Al(OH)3]既可跟酸起反应,也可跟碱起反应,称为两性氢氧化物。Al(OH)3跟碱反应时,分子式可写成H3AlO3(铝酸)。
以上实验说明铝已表现出一定的非金属性,是两性元素。
(4)第14号元素硅是不活泼非金属元素。只有在高温下,硅才能与氢气反应生成气态氢化物甲硅烷(SiH4);硅的氧化物二氧化硅(SiO2)是酸性氧化物,对应的水化物硅酸(H2SiO3)是很弱的酸。
(5)第15号元素磷是非金属元素。磷的蒸气和氢气起反应生成气态氢化物磷化氢(PH3),但十分困难;磷的最高价氧化物是P2O5,对应的水化物磷酸(H3PO4)是中强酸。
(6)第16号元素硫是活泼的非金属元素。在加热的条件下,硫能跟氢气化合生成气态氢化物硫化氢(H2S),硫化氢稳定性较差,在较高温度下发生分解;硫的最高价氧化物是SO3,对应的水化物硫酸(H2SO4)是强酸。
(7)第17号元素氯是很活泼的非金属元素。氯气跟氢气在光照或点燃时能发生爆炸,生成气态氢化物氯化氢(HCl),氯化氢十分稳定。氯的最高价氧化物是Cl2O7,对应的水化物是高氯酸(HClO4)。高氯酸的酸性比硫酸的酸性还强。
(8)第18号元素氩是一种稀有气体元素。
可以看出,第3周期元素性质的变化规律是:
对其他周期的元素性质进行同样的研究,得出的结论是类似的。
2.同主族元素性质的递变规律 同一主族元素中,虽然各元素原子的最外层电子数相同,但从上到下,电子层数依次增多,原子半径逐渐增大,失去电子的能力逐渐增强,得到电子的能力逐渐减弱。因而得出结论:同主族元素从上到下,金属性逐渐增强,非金属性逐渐减弱。这个结论可从第ⅠA族碱金属和第ⅦA族卤素的性质递变中得到证明。
第ⅠA族元素都是活泼的金属元素,其最高价氧化物的水化物——氢氧化物几乎都是强碱,故该族元素又称为碱金属。
【实验2-5】 在两个烧杯内各放入一些水,然后各取绿豆大小的钠、钾,用滤纸吸干表面的煤油,分别投入两个烧杯中,观察现象并比较。反应完毕后,分别向两个烧杯中滴入几滴酚酞试液,观察溶液的颜色变化。
实验表明,钾同钠一样也能与水反应,生成氢气和氢氧化钾。但钾跟水的反应比钠与水的反应更剧烈,反应放出的热使生成的氢气燃烧,并发生轻微的爆炸,从而证明钾比钠的金属性更强。
铷、铯与水的反应比钾与水的反应还要剧烈,它们遇水立即燃烧,甚至发生爆炸。可见在第ⅠA族元素中,元素的金属性按照锂、钠、钾、铷、铯、钫从上至下的顺序逐渐增强。
第ⅦA族卤素氟、氯、溴、碘、砹,它们的非金属性按照从上至下的顺序逐渐减弱。
副族元素和第Ⅷ族元素性质的变化规律比较复杂,这里不再讨论。
按照以上元素性质的递变规律,可在元素周期表中对金属元素和非金属元素进行分区(表2-5)。表中虚线的左方是金属元素,右方是非金属元素;左下方钫是金属性最强的元素,右上方氟是非金属性最强的元素;周期表最右边一个纵行是0族的稀有气体元素。由于元素的金属性和非金属性之间没有严格的界线,因此位于虚线分界线附近的元素,既能表现出一定的金属性,又能表现出一定的非金属性。
表2-5 主族元素的金属性和非金属性递变
重点提示
元素的性质与元素在周期表中位置的关系,主要是学会应用同周期元素从左到右,金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强和同主族元素从上到下,金属性逐渐增强,非金属性逐渐减弱两个结论。
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