物質(zhì)結(jié)構(gòu)元素周期律知識(shí)補(bǔ)充

豐富多彩的物質(zhì)世界是由一百多種元素組成的，這些元素有著不同的性質(zhì)，如有的元素活潑，可以與其他元素形成化合物，有的元素性質(zhì)不活潑，不易與其他元素形成化合物，等等。面對(duì)這么多不同元素，我們只有找出他們在結(jié)構(gòu)上的規(guī)律，才能更好認(rèn)識(shí)他們。物質(zhì)結(jié)構(gòu)元素周期律楊金澤這張表揭示了物質(zhì)世界的秘密，把一些看來似乎互不相關(guān)的元素統(tǒng)一起來，組成了一個(gè)完整的自然體系。它的發(fā)明，是近代化學(xué)史上的一個(gè)創(chuàng)舉，對(duì)于促進(jìn)化學(xué)的發(fā)展，起了巨大的作用?？吹竭@張表，人們便會(huì)想到它的最早發(fā)明者——門捷列夫。1869年，俄國化學(xué)家門捷列夫按照相對(duì)原子質(zhì)量由小到大排列，將化學(xué)性質(zhì)相似的元素放在同一縱行，編制出第一張?jiān)刂芷诒?。元素周期表揭示了化學(xué)元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，使其構(gòu)成了一個(gè)完整的體系，成為化學(xué)發(fā)展史上的重要里程碑之一。隨著科學(xué)的發(fā)展，元素周期表中未知元素留下的空位先后被填滿。當(dāng)原子結(jié)構(gòu)的奧秘被發(fā)現(xiàn)時(shí)，編排依據(jù)由相對(duì)原子質(zhì)量改為原子的質(zhì)子數(shù)﹙核外電子數(shù)或核電荷數(shù)﹚，形成現(xiàn)行的元素周期表。元素周期表的由來人們對(duì)元素分類，可以追溯到上古時(shí)代我國的“五行”學(xué)說。即把元素假定為金木水火土五大類。到了18世紀(jì)，法國化學(xué)家拉瓦錫提出了把元素分為金屬、非金屬、氣體和土質(zhì)四大類的觀點(diǎn)。根據(jù)原子量來研究元素，則是始于19世紀(jì)初。1829年，德國科學(xué)家德貝萊納提出了鋰鈉鉀、鈣鍶鋇、磷砷銻、氯溴碘等15種元素，他把這些元素稱為“三元素組”。1864年，德國化學(xué)家邁爾發(fā)表了《六元素表》，他把28種元素列在一張表上，表中各元素按原子量排列成序，并對(duì)元素進(jìn)行了分族，且給尚未發(fā)現(xiàn)的元素留出了空位，比“三元素組”有了很大進(jìn)步。1865年，英國人紐蘭茲又提出一個(gè)叫做“八音律”的理論。他把元素按原子量遞增的順序排列，第八種元素的性質(zhì)幾乎和第一種元素的性質(zhì)相同。這種像音樂中八度音似的“八音律”，進(jìn)一步揭示了元素的性質(zhì)和元素原子量之間的密切聯(lián)系。1869年2月，年僅35歲的俄國彼得堡大學(xué)化學(xué)教授門捷列夫，經(jīng)過艱苦的努力，終于明確提出了：“元素的性質(zhì)隨原子量的增加，呈周期性的變化?！辈堰@個(gè)規(guī)律定為“元素周期律”。接著，他又把元素按原子量由小到大分成幾個(gè)周期，并把原子量大的那一周期重疊在原子量小的周期下面。這樣性質(zhì)相似的元素就落在同一縱行里，制成了“元素周期表”。門捷列夫在排周期表時(shí)，運(yùn)用周期律，大膽地在周期表里留下許多空格，每個(gè)空格代表一種未發(fā)現(xiàn)的元素，并預(yù)言了這些元素的性質(zhì)。后人陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)不少新元素，都無私地填在了門氏元素周期表的空格里。德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫，19世紀(jì)俄國化學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)了元素周期律，（但是真正第一位發(fā)現(xiàn)元素周期律的是紐蘭茲，門捷列夫是后來經(jīng)過總結(jié)，改進(jìn)得出現(xiàn)在使用的元素周期律的），并就此發(fā)表了世界上第一份元素周期表。他的名著、伴隨著元素周期律而誕生的《化學(xué)原理》，被十九世紀(jì)后期和二十世紀(jì)初的國際化學(xué)界公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)著作，影響了一代又一代的化學(xué)家。為紀(jì)念這位偉大的科學(xué)家，1955年在加速器中獲得的新元素，以門捷列夫（Mendeleyev）的名字命名為鍆Mendelevium(Md)?！皼]有加倍的勤奮，就既沒有才能，也沒有天才！”——門捷列夫如是說。元素周期表中共有118種元素。表中一橫行稱為一個(gè)周期，一列稱為一個(gè)族（8、9、10縱行為一個(gè)族）。原子的核外電子排布和性質(zhì)有明顯的規(guī)律性，科學(xué)家們是按原子序數(shù)遞增排列，將電子層數(shù)相同的元素放在同一行，將最外層電子數(shù)相同的元素放在同一列。元素周期表有7個(gè)周期，16個(gè)族。這7個(gè)周期又可分成短周期（1、2、3）、長周期（4、5、6、7*）。共有16個(gè)族，又分為7個(gè)主族（ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA），7個(gè)副族（ⅠBⅡBⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB），一個(gè)第Ⅷ族（包括三個(gè)縱行），一個(gè)零族。元素在周期表中的位置不僅反映了元素的原子結(jié)構(gòu)，也顯示了元素性質(zhì)的遞變規(guī)律和元素之間的內(nèi)在聯(lián)系。使其構(gòu)成了一個(gè)完整的體系。同一周期內(nèi)，從左到右，元素核外電子層數(shù)相同，最外層電子數(shù)依次遞增，原子半徑遞減（零族元素除外）。失電子能力逐漸減弱，獲電子能力逐漸增強(qiáng)，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)。元素的最高正氧化數(shù)從左到右遞增（沒有正價(jià)的除外），最低負(fù)氧化數(shù)從左到右遞增（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，最外層電子數(shù)相同，核外電子層數(shù)逐漸增多，原子序數(shù)遞增，元素金屬性遞增，非金屬性遞減。*：根據(jù)教科書是這么寫的，不過IUPAC并沒有承認(rèn)第七周期一些元素按照元素在周期表中的順序給元素編號(hào)，得到原子序數(shù)。原子序數(shù)跟元素的原子結(jié)構(gòu)有如下關(guān)系：質(zhì)子數(shù)=原子序數(shù)=核外電子數(shù)=核電荷數(shù)堿金屬堿金屬是指在元素周期表中同屬一族的六個(gè)金屬元素：鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁。根據(jù)IUPAC最新的規(guī)定，堿金屬屬于元素周期表中的第1族元素。堿金屬均有一個(gè)屬于s軌道的最外層電子，因此這一族屬于元素周期表的s區(qū)。氫(H)在名義上屬于第1族，但顯現(xiàn)的化學(xué)性質(zhì)和堿金屬相差甚遠(yuǎn)，因此通常不被認(rèn)為是堿金屬。堿金屬有很多相似的性質(zhì)：它們都是銀白色的金屬（銫略帶金色光澤），密度小，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都比較低，標(biāo)準(zhǔn)狀況下有很高的反應(yīng)活性；它們易失去一個(gè)電子形成帶+1電荷的陽離子；它們質(zhì)地軟，可以用刀切開，露出銀白色的切面；由于和空氣中的氧氣反應(yīng)，切面很快便失去光澤。由于堿金屬化學(xué)性質(zhì)都很活潑，一般將它們放在礦物油中或封在稀有氣體中保存，以防止與空氣或水發(fā)生反應(yīng)。在自然界中，堿金屬只在鹽中發(fā)現(xiàn)，從不以單質(zhì)形式存在。

堿金屬都能和水發(fā)生激烈的反應(yīng)，生成強(qiáng)堿性的氫氧化物，并隨相對(duì)原子質(zhì)量增大反應(yīng)能力越強(qiáng)。大多數(shù)堿金屬有多種用途。銣或銫的原子鐘是純堿金屬最著名的應(yīng)用之一，其中以銫原子鐘最為精準(zhǔn)。鈉化合物較為常見的一種用途是制作鈉燈，一種高效光源。鈉和鉀是生物體中的電解質(zhì)，具有重要的生物學(xué)功能，屬于膳食礦物質(zhì)。堿金屬與人體健康鋰離子：鋰在人腦有特殊作用，研究表明，鋰離子可以引起腎上腺素及神經(jīng)末梢的胺量降低。鈉離子：人體液的滲透壓平衡主要通過鈉離子和氯離子進(jìn)行調(diào)節(jié)，鈉離子的另一個(gè)重要作用是調(diào)節(jié)神經(jīng)元軸突膜內(nèi)外的電荷，鈉離子與鉀離子的濃度差變化是神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的物質(zhì)基礎(chǔ)，中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)建議每人每日攝入不要超過5克鈉鹽。鉀離子：鉀也參與調(diào)節(jié)滲透壓與軸突膜內(nèi)外的電荷，人體中心臟、肝臟、脾臟等器官中鉀比較富集。銣元素：銣元素的生理作用還在研究中，有多種跡象表明銣與生命過程有關(guān)，疑似為微量元素。鋰的天然存在堿土金屬堿土金屬指ⅡA族的所有元素，共計(jì)鈹（Be）、鎂（Mg)、鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鐳（Ra），堿土金屬在自然界均有存在，前五種含量相對(duì)較多，鐳為放射性元素，由居里夫婦在瀝青礦中發(fā)現(xiàn)。堿土金屬中除鈹外都是典型的金屬元素，氧化物中化合價(jià)為+2價(jià)，其單質(zhì)為灰色至銀白色金屬，硬度比堿金屬略大，導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力好，容易同空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化碳作用，在表面形成氧化物和碳酸鹽，失去光澤。堿土金屬的氧化物熔點(diǎn)較高，溶于水顯較強(qiáng)的堿性，。在自然界中，堿土金屬都以化合物的形式存在，鈣、鍶、鋇可用焰色反應(yīng)鑒別。由于它們的性質(zhì)很活潑，一般的只能用電解方法制取。物理性質(zhì)：堿土金屬的單質(zhì)為銀白色(鈹為灰色)固體。熔、沸點(diǎn)較同周期的堿金屬要高，硬度略大于堿金屬。堿土金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能較好?；瘜W(xué)性質(zhì)：堿土金屬最外電子層上有兩個(gè)價(jià)電子，易失去而呈現(xiàn)+2價(jià)，是活潑性較強(qiáng)的金屬，能與大多數(shù)的非金屬反應(yīng)，所生成的鹽多半很穩(wěn)定，遇熱不易分解，在室溫下也不發(fā)生水解反應(yīng)。它們與其他元素化合時(shí)，一般生成離子型的化合物。但Be2+和Mg2+離子具有較小的離子半徑，在一定程度上容易形成共價(jià)化合物。鈣、鍶、鋇和鐳及其化合物的化學(xué)性質(zhì)，隨著它們原子序數(shù)的遞增而有規(guī)律地變化。堿土金屬的離子為無色的，其鹽類大多是白色固體，和堿金屬的鹽不同，堿土金屬的鹽類(如硫酸鹽、碳酸鹽等)溶解度都比較小。堿土金屬在空氣中加熱時(shí)，發(fā)生燃燒，產(chǎn)生光耀奪目的火光，形成氧化物。堿土金屬在高溫火焰中燃燒產(chǎn)生的特征顏色（就是焰色反應(yīng)），可用于這些元素的鑒定。與水作用時(shí)，放出氫氣，生成氫氧化物，堿性比堿金屬的氫氧化物弱，但鈣、鍶、鋇、鐳的氫氧化物仍屬強(qiáng)堿。鈹表面有致密的氧化膜，和水不反應(yīng)；鎂能跟熱水反應(yīng)；鈣、鍶和鋇易與冷水反應(yīng)。鈣、鍶和鋇也能與氫氣反應(yīng)。在空氣中，鎂表面生成一薄層氧化膜，這層氧化物致密而堅(jiān)硬，對(duì)內(nèi)部的鎂有保護(hù)作用，所以有抗腐蝕性能，可以保存在干燥的空氣里。鈣、鍶、鋇等更易被氧化，生成的氧化物疏松，內(nèi)部的金屬會(huì)繼續(xù)被氧化，所以鈣、鍶、鋇等金屬要密封保存。單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與氧氣反應(yīng)：M+O2=MO與鹵素反應(yīng)：M+X2=MX2與水反應(yīng)：M+2H2O=M(OH)2+H2↑與酸反應(yīng)：2H++M=M2++H2↑與不活潑金屬的可溶鹽反應(yīng)：（略）稀有氣體稀有氣體或惰性氣體是指元素周期表上的0族。在常溫常壓下，它們都是無色無味的單原子氣體，很難進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。天然存在的稀有氣體有六種，即氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）?？諝庵屑s含0.94%的稀有氣體，其中絕大部分是氬氣。稀有氣體都是無色、無臭、無味的，微溶于水。稀有氣體的分子都是由單原子組成的，它們的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很低，隨著原子量的增加，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)增大。它們在低溫時(shí)都可以液化。稀有氣體的特性可以用現(xiàn)代的原子結(jié)構(gòu)理論來解釋：它們的最外電子層的電子已“滿”（即已達(dá)成八隅體*狀態(tài)），所以它們非常穩(wěn)定，極少進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，至今只成功制備出幾百種稀有氣體化合物。經(jīng)氣體液化和分餾方法可從空氣中獲得氖、氬、氪和氙，而氦氣通常提取自天然氣，氡氣則通常由鐳化合物經(jīng)放射性衰變后分離出來。稀有氣體在工業(yè)方面主要應(yīng)用在照明設(shè)備、焊接和太空探測。氦也會(huì)應(yīng)用在深海潛水。如潛水深度大于55米，潛水員所用的壓縮空氣瓶內(nèi)的氮要被氦代替，以避免氧中毒及氮麻醉的征狀。另一方面，由于氫氣非常不穩(wěn)定，容易燃燒和爆炸，現(xiàn)今的飛艇及氣球都采用氦氣替代氫氣。空氣是制取稀有氣體的主要原料，通過液態(tài)空氣分級(jí)蒸餾，可得稀有氣體混合物，再用活性炭低溫選擇吸附法，就可以將稀有氣體分離開來。*：原子最外層電子數(shù)為8時(shí)，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，稱為八隅體。

隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀有氣體越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、尖端科學(xué)技術(shù)以至日常生活里。利用稀有氣體極不活潑的化學(xué)性質(zhì)，有的生產(chǎn)部門常用它們來作保護(hù)氣。例如，在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導(dǎo)體晶體管的過程中，常用氬作保護(hù)氣。原子能反應(yīng)堆的核燃料钚，在空氣里也會(huì)迅速氧化，也需要在氬氣保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械加工。電燈泡里充氬氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化，以延長燈泡的使用壽命。稀有氣體通電時(shí)會(huì)發(fā)光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的（霓虹燈的英文原意是“氖燈”）。氖燈射出的紅光，在空氣里透射力很強(qiáng)，可以穿過濃霧。因此，氖燈常用在機(jī)場、港口、水陸交通線的燈標(biāo)上。燈管里充入氬氣或氦氣，通電時(shí)分別發(fā)出淺藍(lán)色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種或兩種的）的混合物。由于各種氣體的相對(duì)含量不伺，便制得五光十色的各種霓虹燈。人們常用的熒光燈，是在燈管里充入少量水銀和氬氣，并在內(nèi)壁涂熒光物質(zhì)（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時(shí)，管內(nèi)因水銀蒸氣放電而產(chǎn)生紫外線，激發(fā)熒光物質(zhì)，使它發(fā)出近似日光的可見光，所以又叫做日光燈。氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體，可以代替氫氣裝在飛艇里，不會(huì)著火和發(fā)生爆炸。液態(tài)氦的沸點(diǎn)為-269℃，是所有氣體中最難液化的，利用液態(tài)氦可獲得接近絕對(duì)零度（-273.15℃）的超低溫。氦氣還用來代替氮?dú)庾魅嗽炜諝?，供探海潛水員呼吸，因?yàn)樵趬簭?qiáng)較大的深海里，用普通空氣呼吸，會(huì)有較多的氮?dú)馊芙庠谘豪?。?dāng)潛水員從深海處上升，體內(nèi)逐漸恢復(fù)常壓時(shí)，溶解在血液里的氮?dú)庖懦鰜硇纬蓺馀荩瑢?duì)微血管起阻塞作用，引起“氣塞癥”。氦氣在血液里的溶解度比氮?dú)庑〉枚?，用氦跟氧的混合氣體（人造空氣）代替普通空氣，就不會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象。溫度在2.2K以上的液氦是一種正常液態(tài)，具有一般液體的通性。溫度在2.2K以下的液氦則是一種超流體，具有許多反常的性質(zhì)。例如具有超導(dǎo)性、低粘滯性等。氪能吸收X射線，可用作X射線工作時(shí)的遮光材料。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術(shù)方面。氙能溶于細(xì)胞質(zhì)的油脂里，引起細(xì)胞的麻醉和膨脹，從而使神經(jīng)末梢作用暫時(shí)停止。人們曾試用80%氙和20%氧組成的混合氣體，作為無副作用的麻醉劑。在原子能工業(yè)上，氙可以用來檢驗(yàn)高速粒子、粒子、介子等的存在。氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。氡是自然界唯一的天然放射性氣體，氡在作用于人體的同時(shí)會(huì)很快衰變成人體能吸收的氡子體，進(jìn)入人體的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。一般在劣質(zhì)裝修材料中的釷雜質(zhì)會(huì)衰變釋放氡氣體，從而對(duì)人體造成傷害。體外輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體后產(chǎn)生一種生物效果，會(huì)對(duì)人體內(nèi)的造血器官、神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成損傷。然而，氡也有著它的用途，將鈹粉和氡密封在管子內(nèi)，氡衰變時(shí)放出的α粒子與鈹原子核進(jìn)行核反應(yīng)，產(chǎn)生的中子可用作實(shí)驗(yàn)室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑，用于檢測管道泄漏和研究氣體運(yùn)動(dòng)。稀有氣體在許多場合中用于提供惰性氣氛。氬在化學(xué)合成時(shí)常用于保護(hù)對(duì)氮?dú)饷舾械幕衔?。固態(tài)氬也用于研究反應(yīng)中間體等非常不穩(wěn)定的化合物，方法是在超低溫下將其隔離在固態(tài)氬構(gòu)成的基質(zhì)中。氦是氣相色譜法中的載色劑、溫度計(jì)的填充氣，并用于蓋革計(jì)數(shù)器和氣泡室等輻射測量設(shè)備中。氦和氬都用作焊接電弧的保護(hù)氣和賤金屬的焊