地球/3e. 元素周期表和电子轨道
如果没有原子内部的电子，原子就不会相互结合或相互作用形成分子、晶体和其他复杂材料。电子在化学中极其重要，因为它们决定了原子如何相互作用。难怪大多数科学教室里都展示了元素周期表，而不是更繁琐的核素图表，因为元素周期表按质子和电子的数量而不是质子和中子的数量来组织元素。
如前所述，电子是任性的亚原子粒子，它们可以提高其能级，甚至完全离开原子形成等离子体，也称为电流。电流是自由电子的流动，这些电子可以以接近光速的速度穿过导电材料，例如金属线。在下一节中，我们将详细研究电子是如何在原子中的轨道中排列的。但是，请记住，受到高能级电磁辐射轰击的高激发态原子，例如温度升高和高压，电子可以离开原子，而在极低的温度下，接近绝对零度开尔文，电子将非常靠近原子核，形成玻色-爱因斯坦凝聚态。当我们想到温度（热量）时，实际上指的是物质（无论是气体、液体还是固体）原子内部电子的能级。物质越热，电子具有的振动能量就越大。
电子以非常快的速度绕原子核旋转，没有离散的轨道路径，而是作为一种称为电子壳层的电磁场。海森堡原理描述了测量这些电子壳层的不可能性，因为每当科学家使用光子来测量电子的位置时，它都会移动并改变其能级。电子在原子核周围轨道中的确切位置总是存在不确定性。因此，电子壳层是电子在任何时刻都可能存在的概率场。
带负电荷的电子被吸引到带正电荷的质子，因此在大多数原子中观察到相同数量的电子和质子。
19世纪中期工作的早期化学家只知道少数几种元素，这些元素被分为三大类，根据它们相互反应的方式，即卤素、碱金属和碱土金属。到1860年，许多这些元素的原子质量都被报道出来，这使得俄罗斯科学家德米特里·门捷列夫能够根据它们的反应特性和原子质量来排列元素。
在编写化学教科书时，门捷列夫偶然发现了一个想法，即每一组元素都具有递增的原子质量，因此，一组卤素将具有不同质量的元素。虽然不知道背后的原因，但门捷列夫根据元素的原子序数（质子数）对元素进行了排列，原子序数与原子质量和电子轨道数有关，而电子轨道数与元素与其他元素结合的反应性有关。虽然这些早期的元素周期表与我们现代的元素周期表看起来毫不相干，但它们激发了化学家们去发现更多元素。下一个重大突破是惰性气体的发现和广泛接受，其中包括氦和氩，它们是已知反应性最小的元素。
那么，原子的反应性如何与其原子质量相关呢？电子被吸引到原子核，数量与质子数相等，是原子质量的一半。原子质量越大，质子越多，被吸引的电子就越多。然而，电子更喜欢按组填充电子壳层，因此，不完整的电子壳层将吸引其他电子，尽管电子数量与质子数相等。如果一个原子具有一套完整的电子，与质子数匹配，那么它将不具有反应性，而需要少一个或多一个电子来填充一个轨道组的元素是反应性最强的元素类型。
| 族 → | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
| ↓ 周期 | ||||||||||||||||||||
| 1 | 1 H |
2 He | ||||||||||||||||||
| 2 | 3 Li |
4 Be |
5 B |
6 C |
7 N |
8 O |
9 F |
10 Ne | ||||||||||||
| 3 | 11 Na |
12 Mg |
13 Al |
14 Si |
15 P |
16 S |
17 Cl |
18 Ar | ||||||||||||
| 4 | 19 K |
20 Ca |
21 Sc |
22 Ti |
23 V |
24 Cr |
25 Mn |
26 Fe |
27 Co |
28 Ni |
29 Cu |
30 Zn |
31 Ga |
32 Ge |
33 As |
34 Se |
35 Br |
36 Kr | ||
| 5 | 37 Rb |
38 Sr |
39 Y |
40 Zr |
41 Nb |
42 Mo |
43 Tc |
44 Ru |
45 Rh |
46 Pd |
47 Ag |
48 Cd |
49 In |
50 Sn |
51 Sb |
52 Te |
53 I |
54 Xe | ||
| 6 | 55 Cs |
56 Ba |
57 La |
58 Ce |
* |
72 Hf |
73 Ta |
74 W |
75 Re |
76 Os |
77 Ir |
78 Pt |
79 Au |
80 Hg |
81 Tl |
82 Pb |
83 Bi |
84 Po |
85 At |
86 Rn |
| 7 | 87 Fr |
88 Ra |
89 Ac |
90 Th |
** |
104 Rf |
105 Db |
106 Sg |
107 Bh |
108 Hs |
109 Mt |
110 Ds |
111 Rg |
112 Cn |
113 Uut |
114 Uuq |
115 Uup |
116 Uuh |
117 Uus |
118 Uuo |
| * 镧系元素 | 59 Pr |
60 Nd |
61 Pm |
62 Sm |
63 Eu |
64 Gd |
65 Tb |
66 Dy |
67 Ho |
68 Er |
69 Tm |
70 Yb |
71 Lu | |||||||
| ** 锕系元素 | 91 Pa |
92 U |
93 Np |
94 Pu |
95 Am |
96 Cm |
97 Bk |
98 Cf |
99 Es |
100 Fm |
101 Md |
102 No |
103 Lr | |||||||
| 碱金属2 | 碱土金属2 | 镧系元素12 | 锕系元素12 | 过渡金属2 |
| 贫金属 | 类金属 | 非金属 | 卤素3 | 惰性气体3 |
1锕系元素和镧系元素统称为“稀土金属”。2碱金属、碱土金属、过渡金属、锕系元素和镧系元素统称为“金属”。3卤素和惰性气体也是非金属。
在标准温度和压力下的状态
- 原子序数为蓝色的元素在STP下未知
- 原子序数为红色的元素在标准温度和压力 (STP) 下为气体
- 原子序数为绿色的元素在STP下为液体
- 原子序数在 黑色 中的元素在 STP 下为固体。
自然存在
未知性质
- 具有青色背景的元素具有未知的化学性质。
元素周期表的第一行包含两个元素，氢和氦。
氢有 1 个质子，因此吸引 1 个电子。然而，轨道壳层更倾向于包含 2 个电子，因此氢与其他元素非常容易发生反应，例如在氧气存在下，它会爆炸！氢更倾向于在电子轨道壳层中具有 2 个电子，但由于它只有一个质子，所以它无法做到，因此它会尽可能从附近的原子“偷”或“借”其他电子。
氦有 2 个质子，因此吸引 2 个电子。由于 2 个电子是第一个轨道壳层的首选数量，氦不会与其他元素发生反应，事实上，很难（几乎不可能）将氦与其他元素结合。氦是一种惰性气体，这意味着它在轨道壳层中包含了完整的电子集。
元素周期表的列根据每个轨道壳层中的电子数量排列，原子序数（质子数）由行表示。
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元素周期表的第一行是当前两个电子填充第一个轨道壳层时，称为 1s 轨道壳层。第二行是当接下来的两个电子填充 2s 轨道壳层时，另外 6 个电子填充 2p 轨道壳层。第三行是当接下来的 6 个轨道填充 3p 轨道壳层时，另外 2 个电子填充 4s 轨道壳层。第四行是当接下来的 10 个轨道填充 3d 轨道壳层时，另外 6 个填充 4p 轨道，另外 2 个填充 5s 轨道。
一个 价电子 是一个外壳电子，它与一个原子有关，但没有完全填充外层轨道壳层，因此参与原子之间的键合。价层是原子的最外层壳层。价层完整的元素（惰性气体）的化学反应性最低，而价层只有一个电子的元素（碱金属）或仅仅缺少一个电子才能完成壳层的元素（卤素）的化学反应性最高。氢在其价层中只有一个电子，但也仅仅缺少一个电子才能完成壳层，具有独特的和非常容易发生反应的性质。
元素的价电子数量可以通过元素周期表中的族（竖列）来确定。除了第 3-12 族（过渡金属和稀土元素）以外，列通过元素的中性原子的价电子数量来标识。每个 s 子层最多可以容纳 2 个电子，而 p 子层可以容纳 6 个，d 子层可以容纳 10 个电子，然后是 f 可以容纳 14 个，最后是 g 可以容纳 18 个电子。观察元素周期表的前几行，看看它如何运作以确定特定元素中每个原子的价电子数量（<）。
| 元素 | 电子数 | 1s | 2s | 2p | 2p | 2p | 价电子数 电子 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 氢 | 1 | < | 1 | ||||
| 氦 | 2 | <> | 0 | ||||
| 锂 | 3 | <> | < | 1 | |||
| 铍 | 4 | <> | < | < | 2 | ||
| 硼 | 5 | <> | < | < | < | 3 | |
| 碳 | 6 | <> | < | < | < | < | 4 |
| 氮 | 7 | <> | <> | < | < | < | 3 |
| 氧 | 8 | <> | <> | <> | < | < | 2 |
| 氟 | 9 | <> | <> | <> | <> | < | 1 |
| 氖 | 10 | <> | <> | <> | <> | <> | 0 |
注意，氦和氖具有 0 个价电子，这意味着它们没有反应性，也不会与其他原子形成键。然而，锂具有 1 个价电子，如果去除这 1 个电子，它将具有 0 个价电子，这使得锂具有很高的反应性。还要注意，氟只需要 1 个价电子就可以完成其 2s 和 2p 轨道的集合，这也使得氟具有很高的反应性。碳在这组元素中具有最高的价电子数量，它将吸引或放弃 4 个电子来完成 2s 和 2p 轨道的集合。
理解价电子数量对于理解原子如何相互形成键以形成分子至关重要。例如，元素周期表中包含锂的第一列元素都具有 1 个价电子，并且很可能与需要 1 个价电子来填充轨道壳层的元素形成键，例如元素周期表中氟列的元素。
元素周期表中的一些列有特定的历史名称。包含锂的第一列元素被称为 碱金属（氢是一种气体，它很独特，通常不被认为是碱金属的一部分），包含氦的最后一列元素都有 0 个价电子，它们被称为 惰性气体。氟列下的元素需要 1 个价电子来填充轨道壳层，被称为 卤素，而铍列下的元素被称为 碱土金属，它们具有 2 个价电子。大多数其他列没有特定的名称（有时被称为 过渡金属），但可以用来确定价电子数量，例如，碳 和列出的元素将具有 4 个价电子，而 氧 下列出的所有元素将具有 2 个价电子。注意，在元素 钡 之后，插入了两行元素，它们是 镧系元素 和 锕系元素，它们包含 4s、4p、4d、4f 轨道的电子，可能总共 32 个电子，在一个漂亮的表格中太长了，因此这些元素通常显示在元素周期表的底部。
典型的大学化学课程将更详细地介绍电子轨道壳层，但了解电子轨道的工作原理很重要，因为电子的构型决定了每个元素的原子如何在分子中形成键。在下一节中，我们将研究原子如何聚在一起形成键，以及如何以不同的方式组合在一起形成你在地球上观察到的物质。
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