高中化学/元素周期表中的族

通过介绍电子构型，我们开始对元素周期表有了更深入的了解。对这些电子构型的理解将证明，在我们研究键合和化学反应时非常有价值。下面展示了用于表示电子构型的轨道表示方法。轨道表示法在之前的章节中已经学过，但就像你在化学中学习的许多技能一样，它将在本章和课程后面几个章节中被广泛使用。

在本课中，我们将重点关注电子构型与元素周期表中的主族元素之间的联系。我们需要记住元素周期表中的亚层填充组。请记住下面的图。我们将在接下来的两章中使用它。

课程目标

描述主族元素的电子构型中存在的规律。
识别元素周期表中包含1) 碱金属，2) 碱土金属，3) 卤素和4) 惰性气体的列，并描述每个族电子构型的差异。
已知元素最外层能级的电子构型，确定它在元素周期表中的族。

碱金属在最外层能级上有1个电子

以s¹结尾的元素 = 碱金属

在元素周期表中，元素按原子序数递增排列。在前面的材料中，我们了解到原子序数是原子核中质子的数量。对于中性原子，质子数等于电子数。因此，对于中性原子，元素周期表也是按电子数递增排列的。现在看一下元素周期表中的第一族或列。它是在上面的元素周期表图中标记为“1A”的那一列。族或家族是元素的垂直列。第一族有7个元素，代表元素周期表中的7个周期。请记住，元素周期表中的周期是水平行。1A族是唯一一个有7个元素的族。

表 9.1：1A族金属的电子构型
元素	原子序数	电子构型
锂 (Li)	3	$1s^{2}2s^{1}$
钠 (Na)	11	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$
钾 (K)	19	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}$
铷 (Rb)	37	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{1}$
铯 (Cs)	55	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{1}$
钫 (Fr)	87	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}7s^{1}$

表 9.1：1A族金属的电子构型
元素	原子序数	电子构型
锂 (Li)	3	$1s^{2}2s^{1}$
钠 (Na)	11	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$
钾 (K)	19	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}$
铷 (Rb)	37	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{1}$
铯 (Cs)	55	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{1}$
钫 (Fr)	87	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}7s^{1}$

你注意到所有元素在第1组有什么共同点吗？它们都有 _s_¹ 作为最外层电子层电子排布。 “_s_” 前面的整数告诉你元素所在的周期。例如，钠（Na）的电子排布为 1_s_²2_s_²2_p_⁶3_s_¹，所以它在第三周期。它是本周期的第一个元素。

这组元素被称为 **碱金属**。它们的名字来源于古代阿拉伯语（al kali），因为当时的“科学家”发现他们燃烧的植被灰烬中含有大量的钠和钾。在阿拉伯语中，_al kali_ 意思是 _灰烬_。我们今天知道，所有碱金属的电子排布都以 _s_¹ 结尾。你可能要注意到，虽然氢通常被放在第 1 组，但它不被认为是碱金属。原因将在后面讨论。

碱土金属在其外层电子层有两个电子

以 _s_² 结尾的元素 = 碱土金属

看一下表 9.2 中的第 2A 组，我们可以使用与第 1 组相同的分析方法，看看是否能找到类似的趋势。它是元素周期表中的第二列，只包含六种元素。

表 9.2：第 2A 族金属的电子排布
元素	原子序数	电子构型
铍 (Be)	4	$1s^{2}2s^{2}$
镁 (Mg)	12	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}$
钙 (Ca)	20	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}$
锶 (Sr)	38	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}$
钡 (Ba)	56	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}$
镭 (Ra)	88	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}7s^{2}$

表 9.2：第 2A 族金属的电子排布
元素	原子序数	电子构型
铍 (Be)	4	$1s^{2}2s^{2}$
镁 (Mg)	12	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}$
钙 (Ca)	20	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}$
锶 (Sr)	38	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}$
钡 (Ba)	56	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}$
镭 (Ra)	88	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}7s^{2}$

您注意到第二主族（2A族）的所有元素有什么共同点吗？它们都具有s²的最高能级电子构型。 “s”前面的整数告诉您该元素位于哪个周期。例如，镁 (Mg) 的电子构型是1s²2s²2p⁶3s²，因此它位于第三周期，是该周期的第二个元素。请记住，s亚层可以容纳两个电子，因此在第二主族中，s轨道已经填满了。

该族中的元素被称为碱土金属。它们之所以得名，是因为早期的“科学家”发现所有的碱土金属都存在于地壳中。碱土金属虽然不如碱金属活泼，但仍然具有很高的活性。所有碱土金属的电子构型都以s²结尾。

稀有气体在其最外层电子层具有 8 个电子

以s²p⁶结尾的元素 = 稀有气体

第一个分离出稀有气体的人是亨利·卡文迪许，他在 18 世纪后期分离出了氩。稀有气体实际上被认为是惰性气体，直到 20 世纪 60 年代，氙和氟之间形成了化合物，这改变了化学家对“惰性”气体的看法。在英语中，惰性意味着没有生命或静止不动；在化学领域，惰性意味着不反应。后来，术语“稀有气体”取代了“惰性气体”作为第八主族的名称。

当我们为这些元素写电子构型时，我们看到了与第一主族和第二主族相同的总体趋势；也就是说，组内具有相似的电子构型。

表 9.3：第八主族气体的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氦 (He)	2	$1s^{2}$
氖 (Ne)	10	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}$
氩 (Ar)	18	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$
氪 (Kr)	36	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}$
氙 (Xe)	54	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}$
氡 (Rn)	86	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}$

表 9.3：第八主族气体的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氦 (He)	2	$1s^{2}$
氖 (Ne)	10	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}$
氩 (Ar)	28	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$
氪 (Kr)	36	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}$
氙 (Xe)	54	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}$
氡 (Rn)	86	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}$

除了氦气 (He)，所有惰性气体都具有相同的外部能级电子构型：ns²np⁶，其中 n 是周期数。因此，氩气 (Ar) 位于第三周期，是一种惰性气体，因此其外部能级电子构型为 3s²3p⁶。请注意，s 和 p 亚层都已填满。氦气的电子构型可能适合于 2A 族。但是，由于氦气的第一能级已满，其化学反应性与惰性气体相似。

卤素原子外部能级有 7 个电子

以 s²p⁵ 结尾的元素为卤素

卤素是一组有趣的元素。卤素是 7A 族元素，也称为 17 族。它是元素周期表中唯一一个在室温下包含所有物质状态的族。氟气 (F₂) 和氯气 (Cl₂) 是气体。溴 (Br₂) 是液体，而碘 (I₂) 和砹 (At₂) 都是固体。7A 族还有一个有趣的特点，它包含七种双原子化合物中的四种。请记住，双原子化合物包括 H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂、Br₂ 和 I₂。请注意，最后四种是 17 族元素。卤素这个词源于希腊语，意思是“盐形成”。法国化学家发现，大多数卤素离子与金属结合时会形成盐。我们已经知道一些：LiF、NaCl、KBr 和 NaI。

从图中观察 7A 族，我们可以发现与 1A 族、2A 族和 8A 族相同的类似电子构型模式。它是元素周期表中的第 17 族，只包含五种元素。

表 9.4：7A 族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氟 (F)	9	$1s^{2}2s^{2}2p^{5}$
氯 (Cl)	17	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}$
溴 (Br)	35	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{5}$
碘 (I)	53	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{5}$
砹 (At)	85	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{5}$

表 9.4：7A 族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氟 (F)	9	$1s^{2}2s^{2}2p^{5}$
氯 (Cl)	17	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}$
溴 (Br)	35	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{5}$
碘 (I)	53	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{5}$
砹 (At)	85	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{5}$

第七主族元素有哪些普遍规律？它们的最外层电子构型都是ns²np⁵，其中n是周期数。你应该注意到，这些元素与惰性气体元素相差一个族（惰性气体元素通常不反应！），卤素元素的最外层电子构型离满壳层只差一个电子。例如，氯（Cl）的电子构型为[Ne] 3s²3p⁵，所以它位于第三周期，是主族元素中的第七个元素。正如你所知，主族元素相当于元素周期表中的s + p区（或上图中的粉红色和橙色族）。

氧族元素外层电子层有 6 个电子

以s²p⁴ 结尾的元素 = 氧族元素

氧及其在第六主族中的其他元素在电子构型方面有相似的趋势。氧是族中唯一的气体；其他元素在室温下都处于固态。氧在 18 世纪后期由 Antoine Lavoisier 命名，但实际上地球上的氧气早在植物出现的时候就存在了。

看一下下面图中的第六主族，我们会发现电子构型与其他族一样，也遵循相同的规律。氧及其族成员位于元素周期表中的第 16 族。在第 16 族中，同样只有 5 个元素。

表 9.5：第六主族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氧 (O)	8	$1s^{2}2s^{2}2p^{4}$
硫 (S)	16	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{4}$
硒 (Se)	34	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{4}$
碲 (Te)	52	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{4}$
钋 (Po)	84	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{4}$

表 9.5：第六主族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氧 (O)	8	$1s^{2}2s^{2}2p^{4}$
硫 (S)	16	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{4}$
硒 (Se)	34	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{4}$
碲 (Te)	52	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{4}$
钋 (Po)	84	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{4}$

当我们检查第六主族元素的电子构型时，我们会发现所有这些元素的最外层电子构型都是ns²np⁴。我们将看到，这种相似的电子构型赋予了族中所有元素相似的成键性质。

这些元素与惰性气体相差两个族，最外层电子构型离满壳层差两个电子。例如，硫的电子构型为 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴，所以它位于第三周期。硫是主族元素中的第六个元素。我们知道它是主族元素周期中的第六个元素，因为最外层电子层有 6 个电子。

氮族元素外层电子层有 5 个电子

以s²p³ 结尾的元素 = 氮族元素

正如我们在 6A 族中看到的那样，5A 族在该族中也存在类似的奇异之处。氮是该族中唯一的气体，其他所有成员在室温下都处于固态。氮于 18 世纪后期由苏格兰化学家拉瑟福德首次发现。空气主要由氮组成。氮在某些方面与该族成员的性质不同。正如我们将在后面的课程中学习到的那样，氮的电子构型使其能够形成非常强的三键。

氮及其家族成员属于元素周期表中的第 15 族。在 15 族中，也只有五个元素。

表 9.6：5A 族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氮 (N)	7	$1s^{2}2s^{2}2p^{3}$
磷 (P)	15	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{3}$
砷 (As)	33	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{3}$
锑 (Sb)	51	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{3}$
铋 (Bi)	83	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{3}$

表 9.6：5A 族元素的电子构型
元素	原子序数	电子构型
氮 (N)	7	$1s^{2}2s^{2}2p^{3}$
磷 (P)	15	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{3}$
砷 (As)	33	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{3}$
锑 (Sb)	51	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{3}$
铋 (Bi)	83	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{3}$

5A 族元素的一般趋势是什么？它们都在最外层电子层具有 *ns*²*np*³ 的电子构型，其中 *n* 是周期数。这些元素距离惰性气体三个族，最外层电子层电子构型距离完成最外层电子层三个电子。换句话说，15 族元素的 *p* 亚层是半满的。例如，砷的电子构型为 1*s*²2*s*²2*p*⁶3*s*²3*p*⁶4*s*²3*d*¹⁰4*p*³，所以它位于第 4 周期，是主族元素中的第五个元素。我们知道它在主族元素的周期中是第五个元素，因为最外层电子层中有 5 个电子。

课程总结

元素周期表中的族是垂直列，也称为族。
1A 族元素是碱金属，它们最外层电子层都只有一个电子，因为它们的电子构型以 *s*¹ 结束。
2A 族元素是碱土金属，它们最外层电子层都有两个电子，因为它们的电子构型以 *s*² 结束。
5A 族元素最外层电子层都有五个电子，因为它们的电子构型以 *s*²*p*³ 结束。
6A 族元素最外层电子层都有六个电子，因为它们的电子构型以 *s*²*p*⁴ 结束。
7A 族元素是卤素，它们最外层电子层都有七个电子，因为它们的电子构型以 *s*²*p*⁵ 结束。
8A 族元素是惰性气体，它们最外层电子层都有八个电子，因为它们的电子构型以 *s*²*p*⁶ 结束。
8A 族元素的最外层电子层具有最稳定的电子构型，因为亚层被电子完全填满。

复习问题

如果一种元素的最外层电子构型为 *ns*²*np*³，它位于元素周期表的哪个族？
(a) 3A族

(b) 4A族

(c) 5A族

(d) 7A族
8A族元素的一般电子构型是什么？(注意：当我们想表示电子构型而不指定确切的能级时，我们使用字母“n”来表示任何能级数。也就是说，ns²np³ 表示以下任何一个: 2s²2p³, 3s²3p³, 4s²4p³ 等等.)
(a) ns²np⁶

(b) ns²np⁵

(c) ns²np¹

(d) ns²
2族元素被称为什么？
(a) 碱金属

(b) 碱土金属

(c) 卤素

(d) 稀有气体
使用下面的图表，识别
(a) 碱金属，用字母表示元素所在位置，并写出最外层电子构型。

(b) 碱土金属，用字母表示元素所在位置，并写出最外层电子构型。

(c) 稀有气体，用字母表示元素所在位置，并写出最外层电子构型。

(d) 卤素，用字母表示元素所在位置，并写出最外层电子构型。

(e) 最外层电子构型为s²p³ 的元素，用字母表示元素所在位置。

(f) 最外层电子构型为s²p¹ 的元素，用字母表示元素所在位置。
在元素周期表中，说出最外层电子构型如下所示的元素是什么。如果可能，请给出该族的名称。
(a) 5s²

(b) 4s²3d¹⁰4p¹

(c) 3s²3p³

(d) 5s²4d¹⁰5p²

(e) 3s¹

(f) 1s²

(g) 6s²5d¹⁰6p⁵

(h) 4s²4p⁴

词汇表

碱金属: 元素周期表中的第1族 (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)。
碱土金属: 元素周期表中的第2族 (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)。
族: 元素周期表中的纵列。
卤素: 元素周期表中的第17族 (F, Cl, Br, I, At)。
主族元素: 等同于元素周期表的s + p 区，也称为“代表元素”。
稀有气体: 元素周期表中的第18族 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)。
周期: 元素周期表中的横行。

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