元素周期律

一、原子核外电子的排布原子是由原子核和核外电子构成的。在含有多个电子的原子里，电子分别在能量不同的区域内运动。我们把不同的区域称作电子层。#在多电子原子中，电子的能量是不相同的。在离核较近的区域内运动的电子能量较低，在离核较远的区域内运动的电子能量较高，由于原子中的电子是处在原子核的引力场中，电子总是尽可能地先从内层排起，当一层充满后再填充下一层。#将核电荷数1～18的元素的核外电子排布、原子半径和主要化合价列成表（见表1）来加以讨论。为了方便，人们按核电荷数由小到大的顺序给元素编号，这种编号叫做原子序数。显然原子序数在数值上与这种原子的核电荷数相等。

原子序数从1--2的元素，即从氢到氦，有一个电子层，电子由1个增到2个，达到稳定结构。

原子序数从3--10的元素，即从锂到氖，有两个电子层，最外层电子1个递增到8个，达到稳定结构。

原子序数从11--18的元素，即从钠到氩，有三个电子层，最外层电子也从1个递增到8个，达到稳定结构。

研究18号以后的元素，同样可以发现每隔一定数目的元素，会重复出现原子最外层电子数从1个递增到8个的情况。即随着电子序数的递增，元素原子的最外层电子排布从电子束最少（1个）逐渐到稳定结构（2个或8个），呈周期性的变化。

二、原子半径的周期性变化

从表1可以看出，由碱金属元素锂到卤素氟，随着原子序数的递增，原子半径由0.152nm递减到0.071nm，即原子半径由大逐渐变小。再由碱金属元素钠到卤素氯，随着原子序数的递增，原子半径由0.186nm递减到0.099nm，原子半径也是由大逐渐变小。如果把所有的元素按原子序数递增的顺序排列起来，将会发现，随着原子序数的递增，元素的原子半径发生周期性的变化(稀有气体元素原子半径特殊)　随着原子序数的递增，元素的化合价也随着起周期性的变化。　

三、元素主要化合价的周期性变化

从表1可以看到，从第11号元素到第18号元素在极大程度上重复着从第3号元素到第10号元素所表现的化合价的变化──正价从+1(Na)逐渐递变到+7(Cl)，从中部的元素开始有负价，负价是从-4(Si)递变到-1(Cl)。如果研究第18号元素以后的元素的化合价，同样可以看到与前面18种元素相似的变化。随着原子序数的递增，元素的化合价也随着起周期性的变化。

四、元素性质的周期性变化

元素的化学性质是由原子结构决定的，那么，是否可以认为元素的金属性与非金属性也将随着元素原子序数的递增而呈现周期性的变化？

元素金属性的强弱，可以从它的单质跟水（或酸）反应置换出氢的难易程度，以及它的氧化物的水化物─氢氧化物的碱性强弱来判断。如果元素的单质跟水（或酸）反应置换出氢容易，而且它的氢氧化物碱性强，这种元素金属性就强，反之则弱。

元素非金属性的强弱，可以从它的氧化物的水化物的酸性强弱，或跟氢气生成气态氢化物的难易程度以及氢化物的稳定性来判断。如果元素的氧化物的水化物的酸性强，或者它跟氢气生成气态氢化物容易且稳定，这种元素的非金属性就强，反之则弱。

下面按照这个标准，研究11～18号元素的金属性、非金属性的变化情况。

第11号元素是钠。我们知道，钠是一种非常活泼的金属，能与冷水迅速发生反应，置换出水中的氢。钠的氧化物的水化物──氢氧化钠显强碱性。

第12号元素镁，它的单质与水反应的情况怎样呢？

【实验1】取两段镁带，用砂纸擦去表面的氧化膜，放入试管中。向试管中加 3 mL水，并往水中滴 2滴无色酚酞试液。观察现象。然后，加热试管至水沸腾。观察现象。

实验表明，镁与冷水反应很微弱，说明镁不易与冷水反应，但能跟沸水迅速地反应并产生气泡。反应后的生成物使无色酚酞试液变红。这个反应的化学方程式为： 镁能从水中置换出氢，说明它是一种活泼金属。但从镁与冷水反应比较困难，以及反应所生成的Mg(OH)2的碱性比NaOH弱的事实来看，表明镁的金属性不如钠强。

我们再来研究第13号元素铝。

【实验2】取一小片铝和一小段镁带，用砂纸擦去表面的氧化膜，分别放入两支试管，再各加入2 mL 1 mol/L盐酸。观察发生的现象。

实验表明，镁、铝都能跟盐酸起反应，置换出H2，这两个反应的化学方程式为： 　　　　　　　　　 　　　　Mg＋2HCl＝MgCl2＋H2↑

　　　　　　　　　　　　　 2Al+ 6HCl＝2AlCl3+3H2↑

实验还表明铝与酸的反应不如镁与酸的反应剧烈。也就是说，铝的金属性不如镁强。下面，我们再来研究铝的氧化物的性质。在一定的条件下，Al2O3既能与盐酸作用，又能与NaOH溶液反应。反应的化学方程式为：

Al2O3＋6HCl＝2AlCl3＋3H2O

Al2O3＋2NaOH＝2NaAlO2＋H2O

像Al2O3这类既能与酸起反应生成盐和水，又能与碱起反应生成盐和水的氧化物，叫做两性氧化物。

第14号元素硅是非金属。硅的氧化物──SiO2是酸性氧化物，它的对应水化物是原硅酸（H4SiO4）。H4SiO4是一种很弱的酸。硅只有在高温下才能跟氢气反应生成少量气态氢化物──SiH4。

第15号元素磷是非金属。磷的最高价氧化物是P2O5，它的对应水化物是磷酸（H3PO4），H3PO4属于中强酸。磷的蒸气和氢气能起反应生成气态氢化物──PH3，但相当困难。

第16号元素硫是比较活泼的非金属。硫的最高价氧化物是SO3，SO3的对应水化物是H2SO4。H2SO4是一种强酸。硫在加热时能跟氢气起反应生成气态氢化物──硫化氢（H2S）。H2S不很稳定，在较高温度时可以分解。

第17号元素氯是很活泼的非金属。氯的最高价氧化物是Cl2O7，Cl2O7的对应水化物是高氯酸（HClO4），它是已知酸中最强的一种酸。氯气跟氢气在光照或点燃时就能发生爆炸而化合，生成的气态氢化物是HCl，HCl十分稳定。

第18号元素氩是一种稀有气体元素。现将以上研究的结论归纳于表5和表6中。

综上所述，我们可以从1～18号元素性质的变化中得出如下的结论：

金属性强弱的判断依据：

①金属单质与水或酸反应置换氢的难以程度；②金属氧化物的水化物的碱性强弱；③金属之间的置换反应；④金属阳离子的氧化性强弱。

非金属性强弱判断依据：

①非金属与氢气化合的难以程度或气态氢化物的稳定性；②非金属最高价氧化物的水化物的酸性强弱；③非金属之间的置换反应；④非金属阴离子的还原性强弱

⑤非金属与变价金属(Fe和Cu)反应。

通过以上事实，可以归纳出一条规律：元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。这个规律叫做元素周期律。

五、元素周期律和元素周期表的意义元素在周期表中的位置，反映了元素的原子结构和元素的性质。在有了元素周期律以后，我们可以根据元素在周期表中的位置推测其原子结构和性质；或根据元素的原子结构推测它在周期表中的位置；同时指导我们对化学的学习和研究。

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。

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。

[化学]元素周期律笔记