物质结构元素周期律知识补充

丰富多彩的物质世界是由一百多种元素组成的，这些元素有着不同的性质，如有的元素活泼，可以与其他元素形成化合物，有的元素性质不活泼，不易与其他元素形成化合物，等等。面对这么多不同元素，我们只有找出他们在结构上的规律，才能更好认识他们。物质结构元素周期律杨金泽这张表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。它的发明，是近代化学史上的一个创举，对于促进化学的发展，起了巨大的作用。看到这张表，人们便会想到它的最早发明者——门捷列夫。1869年，俄国化学家门捷列夫按照相对原子质量由小到大排列，将化学性质相似的元素放在同一纵行，编制出第一张元素周期表。元素周期表揭示了化学元素之间的内在联系，使其构成了一个完整的体系，成为化学发展史上的重要里程碑之一。随着科学的发展，元素周期表中未知元素留下的空位先后被填满。当原子结构的奥秘被发现时，编排依据由相对原子质量改为原子的质子数﹙核外电子数或核电荷数﹚，形成现行的元素周期表。元素周期表的由来人们对元素分类，可以追溯到上古时代我国的“五行”学说。即把元素假定为金木水火土五大类。到了18世纪，法国化学家拉瓦锡提出了把元素分为金属、非金属、气体和土质四大类的观点。根据原子量来研究元素，则是始于19世纪初。1829年，德国科学家德贝莱纳提出了锂钠钾、钙锶钡、磷砷锑、氯溴碘等15种元素，他把这些元素称为“三元素组”。1864年，德国化学家迈尔发表了《六元素表》，他把28种元素列在一张表上，表中各元素按原子量排列成序，并对元素进行了分族，且给尚未发现的元素留出了空位，比“三元素组”有了很大进步。1865年，英国人纽兰兹又提出一个叫做“八音律”的理论。他把元素按原子量递增的顺序排列，第八种元素的性质几乎和第一种元素的性质相同。这种像音乐中八度音似的“八音律”，进一步揭示了元素的性质和元素原子量之间的密切联系。1869年2月，年仅35岁的俄国彼得堡大学化学教授门捷列夫，经过艰苦的努力，终于明确提出了：“元素的性质随原子量的增加，呈周期性的变化。”并把这个规律定为“元素周期律”。接着，他又把元素按原子量由小到大分成几个周期，并把原子量大的那一周期重叠在原子量小的周期下面。这样性质相似的元素就落在同一纵行里，制成了“元素周期表”。门捷列夫在排周期表时，运用周期律，大胆地在周期表里留下许多空格，每个空格代表一种未发现的元素，并预言了这些元素的性质。后人陆陆续续发现不少新元素，都无私地填在了门氏元素周期表的空格里。德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫，19世纪俄国化学家，他发现了元素周期律，（但是真正第一位发现元素周期律的是纽兰兹，门捷列夫是后来经过总结，改进得出现在使用的元素周期律的），并就此发表了世界上第一份元素周期表。他的名著、伴随着元素周期律而诞生的《化学原理》，被十九世纪后期和二十世纪初的国际化学界公认为标准著作，影响了一代又一代的化学家。为纪念这位伟大的科学家，1955年在加速器中获得的新元素，以门捷列夫（Mendeleyev）的名字命名为钔Mendelevium(Md)。“没有加倍的勤奋，就既没有才能，也没有天才！”——门捷列夫如是说。元素周期表中共有118种元素。表中一横行称为一个周期，一列称为一个族（8、9、10纵行为一个族）。原子的核外电子排布和性质有明显的规律性，科学家们是按原子序数递增排列，将电子层数相同的元素放在同一行，将最外层电子数相同的元素放在同一列。元素周期表有7个周期，16个族。这7个周期又可分成短周期（1、2、3）、长周期（4、5、6、7*）。共有16个族，又分为7个主族（ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA），7个副族（ⅠBⅡBⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB），一个第Ⅷ族（包括三个纵行），一个零族。元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构，也显示了元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。使其构成了一个完整的体系。同一周期内，从左到右，元素核外电子层数相同，最外层电子数依次递增，原子半径递减（零族元素除外）。失电子能力逐渐减弱，获电子能力逐渐增强，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。元素的最高正氧化数从左到右递增（没有正价的除外），最低负氧化数从左到右递增（第一周期除外，第二周期的O、F元素除外）。同一族中，由上而下，最外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子序数递增，元素金属性递增，非金属性递减。*：根据教科书是这么写的，不过IUPAC并没有承认第七周期一些元素按照元素在周期表中的顺序给元素编号，得到原子序数。原子序数跟元素的原子结构有如下关系：质子数=原子序数=核外电子数=核电荷数碱金属碱金属是指在元素周期表中同属一族的六个金属元素：锂、钠、钾、铷、铯、钫。根据IUPAC最新的规定，碱金属属于元素周期表中的第1族元素。碱金属均有一个属于s轨道的最外层电子，因此这一族属于元素周期表的s区。氢(H)在名义上属于第1族，但显现的化学性质和碱金属相差甚远，因此通常不被认为是碱金属。碱金属有很多相似的性质：它们都是银白色的金属（铯略带金色光泽），密度小，熔点和沸点都比较低，标准状况下有很高的反应活性；它们易失去一个电子形成带+1电荷的阳离子；它们质地软，可以用刀切开，露出银白色的切面；由于和空气中的氧气反应，切面很快便失去光泽。由于碱金属化学性质都很活泼，一般将它们放在矿物油中或封在稀有气体中保存，以防止与空气或水发生反应。在自然界中，碱金属只在盐中发现，从不以单质形式存在。

碱金属都能和水发生激烈的反应，生成强碱性的氢氧化物，并随相对原子质量增大反应能力越强。大多数碱金属有多种用途。铷或铯的原子钟是纯碱金属最著名的应用之一，其中以铯原子钟最为精准。钠化合物较为常见的一种用途是制作钠灯，一种高效光源。钠和钾是生物体中的电解质，具有重要的生物学功能，属于膳食矿物质。碱金属与人体健康锂离子：锂在人脑有特殊作用，研究表明，锂离子可以引起肾上腺素及神经末梢的胺量降低。钠离子：人体液的渗透压平衡主要通过钠离子和氯离子进行调节，钠离子的另一个重要作用是调节神经元轴突膜内外的电荷，钠离子与钾离子的浓度差变化是神经冲动传递的物质基础，中国营养学会建议每人每日摄入不要超过5克钠盐。钾离子：钾也参与调节渗透压与轴突膜内外的电荷，人体中心脏、肝脏、脾脏等器官中钾比较富集。铷元素：铷元素的生理作用还在研究中，有多种迹象表明铷与生命过程有关，疑似为微量元素。锂的天然存在碱土金属碱土金属指ⅡA族的所有元素，共计铍（Be）、镁（Mg)、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）、镭（Ra），碱土金属在自然界均有存在，前五种含量相对较多，镭为放射性元素，由居里夫妇在沥青矿中发现。碱土金属中除铍外都是典型的金属元素，氧化物中化合价为+2价，其单质为灰色至银白色金属，硬度比碱金属略大，导电、导热能力好，容易同空气中的氧气、水蒸气、二氧化碳作用，在表面形成氧化物和碳酸盐，失去光泽。碱土金属的氧化物熔点较高，溶于水显较强的碱性，。在自然界中，碱土金属都以化合物的形式存在，钙、锶、钡可用焰色反应鉴别。由于它们的性质很活泼，一般的只能用电解方法制取。物理性质：碱土金属的单质为银白色(铍为灰色)固体。熔、沸点较同周期的碱金属要高，硬度略大于碱金属。碱土金属的导电性和导热性能较好。化学性质：碱土金属最外电子层上有两个价电子，易失去而呈现+2价，是活泼性较强的金属，能与大多数的非金属反应，所生成的盐多半很稳定，遇热不易分解，在室温下也不发生水解反应。它们与其他元素化合时，一般生成离子型的化合物。但Be2+和Mg2+离子具有较小的离子半径，在一定程度上容易形成共价化合物。钙、锶、钡和镭及其化合物的化学性质，随着它们原子序数的递增而有规律地变化。碱土金属的离子为无色的，其盐类大多是白色固体，和碱金属的盐不同，碱土金属的盐类(如硫酸盐、碳酸盐等)溶解度都比较小。碱土金属在空气中加热时，发生燃烧，产生光耀夺目的火光，形成氧化物。碱土金属在高温火焰中燃烧产生的特征颜色（就是焰色反应），可用于这些元素的鉴定。与水作用时，放出氢气，生成氢氧化物，碱性比碱金属的氢氧化物弱，但钙、锶、钡、镭的氢氧化物仍属强碱。铍表面有致密的氧化膜，和水不反应；镁能跟热水反应；钙、锶和钡易与冷水反应。钙、锶和钡也能与氢气反应。在空气中，镁表面生成一薄层氧化膜，这层氧化物致密而坚硬，对内部的镁有保护作用，所以有抗腐蚀性能，可以保存在干燥的空气里。钙、锶、钡等更易被氧化，生成的氧化物疏松，内部的金属会继续被氧化，所以钙、锶、钡等金属要密封保存。单质的化学性质与氧气反应：M+O2=MO与卤素反应：M+X2=MX2与水反应：M+2H2O=M(OH)2+H2↑与酸反应：2H++M=M2++H2↑与不活泼金属的可溶盐反应：（略）稀有气体稀有气体或惰性气体是指元素周期表上的0族。在常温常压下，它们都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应。天然存在的稀有气体有六种，即氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）。空气中约含0.94%的稀有气体，其中绝大部分是氩气。稀有气体都是无色、无臭、无味的，微溶于水。稀有气体的分子都是由单原子组成的，它们的熔点和沸点都很低，随着原子量的增加，熔点和沸点增大。它们在低温时都可以液化。稀有气体的特性可以用现代的原子结构理论来解释：它们的最外电子层的电子已“满”（即已达成八隅体*状态），所以它们非常稳定，极少进行化学反应，至今只成功制备出几百种稀有气体化合物。经气体液化和分馏方法可从空气中获得氖、氩、氪和氙，而氦气通常提取自天然气，氡气则通常由镭化合物经放射性衰变后分离出来。稀有气体在工业方面主要应用在照明设备、焊接和太空探测。氦也会应用在深海潜水。如潜水深度大于55米，潜水员所用的压缩空气瓶内的氮要被氦代替，以避免氧中毒及氮麻醉的征状。另一方面，由于氢气非常不稳定，容易燃烧和爆炸，现今的飞艇及气球都采用氦气替代氢气。空气是制取稀有气体的主要原料，通过液态空气分级蒸馏，可得稀有气体混合物，再用活性炭低温选择吸附法，就可以将稀有气体分离开来。*：原子最外层电子数为8时，达到相对稳定结构，称为八隅体。

随着工业生产和科学技术的发展，稀有气体越来越广泛地应用在工业、医学、尖端科学技术以至日常生活里。利用稀有气体极不活泼的化学性质，有的生产部门常用它们来作保护气。例如，在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属，以及制造半导体晶体管的过程中，常用氩作保护气。原子能反应堆的核燃料钚，在空气里也会迅速氧化，也需要在氩气保护下进行机械加工。电灯泡里充氩气可以减少钨丝的气化和防止钨丝氧化，以延长灯泡的使用寿命。稀有气体通电时会发光。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的（霓虹灯的英文原意是“氖灯”）。氖灯射出的红光，在空气里透射力很强，可以穿过浓雾。因此，氖灯常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气，通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体（也有三种或两种的）的混合物。由于各种气体的相对含量不伺，便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯，是在灯管里充入少量水银和氩气，并在内壁涂荧光物质（如卤磷酸钙）而制成的。通电时，管内因水银蒸气放电而产生紫外线，激发荧光物质，使它发出近似日光的可见光，所以又叫做日光灯。氦气是除了氢气以外最轻的气体，可以代替氢气装在飞艇里，不会着火和发生爆炸。液态氦的沸点为-269℃，是所有气体中最难液化的，利用液态氦可获得接近绝对零度（-273.15℃）的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸，因为在压强较大的深海里，用普通空气呼吸，会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升，体内逐渐恢复常压时，溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡，对微血管起阻塞作用，引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多，用氦跟氧的混合气体（人造空气）代替普通空气，就不会发生上述现象。温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。氪能吸收X射线，可用作X射线工作时的遮光材料。氙灯还具有高度的紫外光辐射，可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里，引起细胞的麻醉和膨胀，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体，作为无副作用的麻醉剂。在原子能工业上，氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在。氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。氡是自然界唯一的天然放射性气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的氡子体，进入人体的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。一般在劣质装修材料中的钍杂质会衰变释放氡气体，从而对人体造成伤害。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。然而，氡也有着它的用途，将铍粉和氡密封在管子内，氡衰变时放出的α粒子与铍原子核进行核反应，产生的中子可用作实验室的中子源。氡还可用作气体示踪剂，用于检测管道泄漏和研究气体运动。稀有气体在许多场合中用于提供惰性气氛。氩在化学合成时常用于保护对氮气敏感的化合物。固态氩也用于研究反应中间体等非常不稳定的化合物，方法是在超低温下将其隔离在固态氩构成的基质中。氦是气相色谱法中的载色剂、温度计的填充气，并用于盖革计数器和气泡室等辐射测量设备中。氦和氩都用作焊接电弧的保护气和贱金属的焊