9-1 化学/元素周期表

元素周期表

元素周期表中元素按原子序数（即质子数）排列。每一列，称为一个族，包含具有相似性质的元素，因为它们的外层电子数相同。

金属和非金属

金属是反应生成阳离子的元素，而非金属则反应生成阴离子。大多数元素是金属，位于元素周期表的左侧，而少数非金属则位于右上角。

元素周期表的演变

道贝雷纳的三元素组

1817 年，德国科学家约翰·道贝雷纳提出了他的三元素组定律。每个三元素组都是由三个元素组成的一组。三元素组中元素的外观和反应彼此相似。参见下表

碱金属

符号	A（原子量）
Li	7
Na	23
K	39

道贝雷纳发现每个三元素组中中间元素的相对原子质量接近另外两个元素的相对原子质量的平均值。然而，他的定律只适用于少数元素，因此很快就被淘汰了。

纽兰兹的八音律

1864 年，英国科学家约翰·纽兰兹提出了他的八音律。他将当时已知的元素按照相对原子质量的顺序排列在一个表中。当他这样做时，他发现每个元素都类似于后面第八个位置的元素。例如，从 Li 开始，Be 是第二个元素，B 是第三个元素，而 Na 是第八个元素。纽兰兹的表格显示出重复或周期性的性质模式，但它也存在问题。例如，他将铁归类到氧气和硫磺的同一族，而氧气和硫磺是两种非金属。因此，他的表格没有被其他科学家认可。

门捷列夫的元素周期表

1869 年，就在约翰·纽兰兹提出他的八音律五年后，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫发表了一个元素周期表。门捷列夫也按照相对原子质量的顺序排列了当时已知的元素，但他还意识到元素的物理和化学性质与其原子质量之间存在“周期性”的关系，并将它们排列起来，使具有相似性质的元素族位于他表格中的垂直列中。

门捷列夫 1871 年的表格

在上表中，您可以看到一些元素用破折号 (-) 标记。那些元素当时尚未被发现，所以他用eka-<具有相似规格的化合物> 来标记（预测）它们。例如，镓和eka-铝具有相似的性质，如下表所示

	Eka-铝 (Ea)	镓 (Ga)
原子量	68 amu	69.9 amu
熔点	低	30.15°C
密度	5.9 g/cm 3	5.94 g/cm 3
氧化物的化学式	Ea 2 O 3	Ga 2 O 3

镓元素是在门捷列夫元素周期表发表四年后被发现的，它的性质与 eka-铝惊人地一致，正好符合他在表格中预测的位置。这也适用于镓后面的元素，它最终被命名为锗。

门捷列夫的元素周期表得到了科学界的广泛认可，并为他赢得了元素周期律发现者的荣誉。1955 年合成的 101 号元素以元素周期表创始人门捷列夫命名为钔。

0 族：稀有气体

元素周期表最右侧的元素被称为稀有气体，即 0 族。它们非常不活泼，因为它们具有完整的电子层，使其具有自然稳定的电子排列（它们不需要反应就能形成稳定的排列）。所以我们说它们是惰性的——极其不活泼，不参与化学反应，它们以单个原子（单原子）的形式存在。

稀有气体的沸点随相对原子质量的增加而增加，因此在族中越往下，沸点越高。这是由于随着原子变大，分子间作用力增强，导致从一种状态转变为另一种状态所需的能量更多。然而，与金属相比，它们都具有非常低的沸点和熔点，并且通常在室温下以气体的形式存在。

1 族：碱金属

元素周期表最左侧的元素被称为碱金属或 1 族（因为它们的外层电子层中都有 1 个电子）。为了形成稳定的排列，它们需要失去 1 个电子，从而变成阳离子 (1⁺)。所有碱金属都很软（因为它们很容易用刀切割）并且具有相对较低的熔点和沸点。

这显示了氢氧化钠，是钠与水反应后的产物。

碱金属因其与水的反应而得名

${\ce {2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2}}$

${\text{Sodium + Water}}\rightarrow {\text{Sodium hydroxide + hydrogen}}$

碱金属与水反应生成碱金属氢氧化物和氢气。氢氧化物是一种碱，其 pH 值大于 7，能够溶解在水中，使通用指示剂变为蓝色或紫色。

碱金属的反应性随着其在周期表中位置的下降而增加，因为更多填充的电子层会产生更高的屏蔽效应，这意味着电子更容易失去。这意味着如果钫与水反应，将会发生爆炸。

${\ce {4Na + O2 -> 2Na2O}}$

${\text{Sodium + Oxygen}}\rightarrow {\text{Sodium oxide}}$

碱金属与氧气反应生成碱金属氧化物。这解释了为什么当你切开碱金属时，光亮表面会很快变得暗淡，因为会形成氧化层，与氧气发生反应。这也解释了为什么当你将碱金属放入装满氧气的罐子中时，它们会剧烈燃烧。氧化物会以白烟的形式生成。

${\ce {2Na + Cl2 -> 2NaCl}}$

${\text{Sodium + Chlorine}}\rightarrow {\text{Sodium chloride}}$

第一主族金属与氯气反应生成（氯）化物，一种包含氯和另一种元素的化合物。

第七主族：卤素

卤素是元素周期表中的第七主族元素，在最外层有 7 个电子。卤素是非金属，由双原子（两个卤素原子键合在一起）分子组成，在室温下为气体。随着你沿着第七主族向下移动，卤素的反应性降低，熔点和沸点升高。这与碱金属恰恰相反，碱金属的反应性随着你沿着周期表向下移动而增加。

卤素与金属反应生成盐，盐由离子键结合在一起。卤素成为卤离子，带 1- 电荷。当它们与金属键合时。为了写出形成的盐，你只需要记住形成的新化合物的净电荷必须为 0。例如，钠（一种碱金属）与氯（一种卤素）反应生成氯化钠，如上所示。另一个例子是

${\ce {Fe + Br2 -> Fe^{3+}Br^{-1}_{3}}}$

${\text{Iron + Bromine}}\rightarrow {\text{Iron (III) bromide}}$

正如我们所见，铁（一种过渡金属）与溴（一种卤素）反应生成溴化铁。记住，卤素是双原子的。

卤素与非金属共价反应生成具有简单分子结构的化合物。

${\ce {H2 + Cl2 -> 2HCl}}$

${\text{Hydrogen + Chlorine}}\rightarrow {\text{Hydrogen chloride}}$

卤素的置换反应

反应性更强的卤素可以从其盐的水溶液中置换出反应性较弱的卤素。简单来说，周期表中位置较高的卤素将置换出位置较低的卤素，因为反应性沿着周期表向下移动而降低。

${\ce {Cl2 + KI -> KCl + I2}}$

${\text{Chlorine + Pottasium iodide}}\rightarrow {\text{Pottasium chloride}}+{\text{iodine}}$

注意双原子卤素在离子反应时如何失去其对。这是因为它们可以通过与金属共价键合来获得完整的电子层。

快速问题

能量的定义是什么？ 系统（物体或物体组）可能发生的能量变化的最大值

两种主要的能量储存类型是什么？它们之间有什么区别？ 与运动有关的能量储存（动能）和与物体在空间中的位置有关的势能储存。

能量用什么单位测量？ 焦耳

什么是比热容？ 使 1 公斤物质升温 1${\text{°C}}$ 所需的能量。

什么是功率？ 能量传递的速率