《物质结构与性质》——5、原子结构与元素周期表

一、原子结构与元素周期表

结构决定性质，这是化学的底层逻辑，原子结构也必然对元素的性质起决定性作用。

1、元素周期律、元素周期系和元素周期表

1869年，门捷列夫将元素按相对原子质量从小到大的顺序排列，得到了一个元素序列，并从氢元素开始编号，称原子序数。

元素周期律：元素的性质随元素原子序数递增，发生周期性的重复变化。

1913年，英国物理学家莫塞莱证明：

原子序数=原子核电荷数

元素周期律也可表述为：元素性质随元素原子核电荷数递增发生周期性递变。

元素周期系：元素原子按核电荷数递增排列的序列。

元素周期表：呈现元素周期系的表格。元素周期系只有一个，元素周期表多种多样。

常见的几种元素周期表：门捷列夫周期表、维尔纳的特长式周期表、玻尔元素周期表等。  

2、构造原理和元素周期表

根据构造原理得出元素原子的核外电子排布随原子序数（核电荷数）递增，呈现周期性的重复变化，于是产生了元素周期系，进而得到元素周期表。  

根据原子的核外电子排布，可以解释元素周期系的基本结构。

第一周期从1s1开始，以1s2结束，其余各周期都是从ns能级开始，以np能级结束，长周期电子还会填入次外层、甚至倒数第三层的d能级和f能级中。其间增加的核电荷数(或电子数)就等于每个周期的元素种数。

将这个序列排成表格形式，就可得到元素周期表。

元素周期表中，同族元素价层电子数相同(镧系、锕系、稀有气体元素除外)，这种相似的结构导致同族元素性质相似。

主族元素价层电子数即最外层电子数，副族元素(即过渡元素、或过渡金属)的价层电子还包括部分内层电子。

副族元素原子的最外层电子数一般不超过2个（钯例外），全部是金属元素。

思考：

观察元素周期表。

（1）元素周期表共有几个周期？每个周期有多少种元素？为什么第一周期结尾元素的电子排布跟同族的其它周期元素的不同？

共七个周期，即七个横行。  

每个周期元素种数依次为2、8、8、18、18、32、32……

由于第一能层（K层）只有一个1s能级，最多只能容纳2个电子，所以He原子的电子排布为1s2，而其它稀有气体原子都是p能级结束，所以外围电子排布为ns2np6。

（2）元素周期表共有多少列？各列的价层电子数各为多少？同列价层电子数是否相等？元素周期表可分为哪些族？族序有什么规律？

元素周期共有18列（纵行）。

从左至右，各列价层电子数依次为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、3、4、5、6、7、8（He是2个）。

同列价层电子数相等。

元素周期表分为16个族，从左至右依次为：ⅠA、ⅡA、ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB、Ⅷ、ⅠB、ⅡB、ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA、0族。

主族元素和ⅢB-ⅦB族元素的族序数等于其价层电子数，0族为8个（He为2个），Ⅷ族价层电子数分别为族序数、族序数+1、族序数+2，ⅠB、ⅡB族元素价层电子数是族序数+10。  

（3）为什么元素周期表中非金属元素主要集中在右上角三角区域内？

右上角元素最外层电子数较多，原子半径相对较小，一般得电子能力相对较强，表现出非金属性。（氢元素在ⅠA）

讨论：

（1）为什么副族元素又称过渡元素？过渡元素价层电子数跟它们的族序数有什么关系？写出它们的价层电子排布通式。

副族元素的价电子除最外层电子外，还包括次外层d能级、甚至倒数第三层的f能级电子，它们在s能级和p能级之间，所以又称过渡元素。

它们的价层电子数和价层电子排布通式见前面的表。

（2）按照核外电子排布，可把元素周期表分为5个区。除ds区外，各区的名称来自按构造原理最后填入的能级符号。S区、d区和p区分别有几个列？为什么s区（除H外）、d区和ds区的元素都是金属元素？

s区包括ⅠA、ⅡA族元素，价层电子排布为ns1～2，最后一个电子填在ns能级上，除氢元素外均属于活泼金属元素。  

d区包括ⅢB～Ⅷ族元素(除镧系、锕系外)，价层电子排布为(n－1)d1～9ns1～2(有少数元素不符合这个通式)，最后一个电子填在(n－1)d能级上，为金属元素。

p区包括ⅢA～ⅦA族及0族元素，价层电子排布为ns2np1～6(除He)外，最后一个电子填在np能级上，为非金属元素、稀有气体和部分金属元素。

ds区包括第ⅠB、ⅡB族元素，价层电子排布为(n－1)d10ns1～2，可理解为先填满了(n－1)d能级再填充ns能级，为金属元素。

f区包括镧系和锕系元素。

s区（除H外）、d区、ds区元素最外层电子数均为1-2个（钯除外），能失去电子，表现出金属性，均为金属元素。

（3）处于非金属与金属分界线附近的元素常被称为半金属，或类金属，为什么？

处于非金属与金属分界线（也叫硼砹线）附近的元素，其原子不易得到和失去电子，既能表现出一定的非金属性，又能表现出一定金属性。如，硅单质有金属光泽，是一种半导体。

（4）在周期表里找出Cr和Cu的价层电子。它们的电子排布符合构造原理吗？此外还有哪些元素的基态原子电子排布不符合构造原理？

Cr和Cu的价层电子排布分别为3d54s1和3d104s1，不符合构造原理。

过渡金属中还有银、金、钯等也不符合构造原理，说明构造原理也存在其局限性，真正起作用的是能量最低原理。

（5）预言119号元素基态原子最外层电子排布，第八周期有多少种元素。

119号元素应该位于第八周期ⅠA族，基态原子最外层电子排布为8s1；第八周期应有50种元素。

（6）在元素周期表中，某些主族元素与其右下方的主族元素的有些性质是相似的，这种相似性被称为对角线规则。  

锂和镁的单质、化合物性质有许多相似性：

锂与镁的沸点分别为1 341℃和1 100℃，较为接近。密度都比较小，属于轻金属。

锂和镁在过量的氧气中燃烧时，均只生成对应的氧化物，不会生成过氧化物，并且Li2O和MgO与水反应都较缓慢。

锂和镁都能直接与氮气反应生成相应的氮化物Li3N和Mg3N2。都能与水反应生成相应的氢氧化物和氢气。

铍和铝的单质、化合物的一些性质也有相似性：

铍与铝都可与酸、碱反应放出氢气，并且铍在浓硝酸中也发生钝化。

二者的氧化物（BeO和Al2O3）和氢氧化物[Be(OH)2和Al(OH)3]都是两性氧化物、两性氢氧化物，既能溶于强酸又能溶于强碱。

二者的氧化物Al2O3和BeO的熔点和硬度都很高。BeCl2和AlCl3都是共价化合物。  

硼和硅的性质也有相似性。

小结：

原子结构决定元素性质。随核电荷数的变化，原子核外电子排布也在逐渐发生变化，这种量的变化最后会导致元素性质发生质的变化。

比如，同周期元素随核电荷数增加，其最外层p能级电子数也在增加，元素由金属逐渐变成非金属，且非金属性逐渐增强，最后p能级填满6个电子时，性质突然变化，由强的非金属突然成为性质很不活泼的稀有气体。

同主族元素如ⅣA、ⅤA、ⅥA族，从上往下，能层增加，原子半径增大，非金属逐渐变化成金属，也体现了量变到质变的变化规律。会不会也和同周期元素类似，出现突然变化成为某类有特殊性质的元素？

一种元素可不可能，既是金属又是非金属？另外，元素周期表能不能往下延展？元素周期表有没有终点？