9-1 化學/元素週期表

元素週期表

元素週期表中元素按原子序數（即質子數）排列。每一列，稱為一個族，包含具有相似性質的元素，因為它們的外層電子數相同。

金屬和非金屬

金屬是反應生成陽離子的元素，而非金屬則反應生成陰離子。大多數元素是金屬，位於元素週期表的左側，而少數非金屬則位於右上角。

元素週期表的演變

道貝雷納的三元素組

1817 年，德國科學家約翰·道貝雷納提出了他的三元素組定律。每個三元素組都是由三個元素組成的一組。三元素組中元素的外觀和反應彼此相似。參見下表

鹼金屬

符號	A（原子量）
Li	7
Na	23
K	39

道貝雷納發現每個三元素組中中間元素的相對原子質量接近另外兩個元素的相對原子質量的平均值。然而，他的定律只適用於少數元素，因此很快就被淘汰了。

紐蘭茲的八音律

1864 年，英國科學家約翰·紐蘭茲提出了他的八音律。他將當時已知的元素按照相對原子質量的順序排列在一個表中。當他這樣做時，他發現每個元素都類似於後面第八個位置的元素。例如，從 Li 開始，Be 是第二個元素，B 是第三個元素，而 Na 是第八個元素。紐蘭茲的表格顯示出重複或週期性的性質模式，但它也存在問題。例如，他將鐵歸類到氧氣和硫磺的同一族，而氧氣和硫磺是兩種非金屬。因此，他的表格沒有被其他科學家認可。

門捷列夫的元素週期表

1869 年，就在約翰·紐蘭茲提出他的八音律五年後，俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫發表了一個元素週期表。門捷列夫也按照相對原子質量的順序排列了當時已知的元素，但他還意識到元素的物理和化學性質與其原子質量之間存在“週期性”的關係，並將它們排列起來，使具有相似性質的元素族位於他表格中的垂直列中。

門捷列夫 1871 年的表格

在上表中，您可以看到一些元素用破折號 (-) 標記。那些元素當時尚未被發現，所以他用eka-<具有相似規格的化合物> 來標記（預測）它們。例如，鎵和eka-鋁具有相似的性質，如下表所示

	Eka-鋁 (Ea)	鎵 (Ga)
原子量	68 amu	69.9 amu
熔點	低	30.15°C
密度	5.9 g/cm 3	5.94 g/cm 3
氧化物的化學式	Ea 2 O 3	Ga 2 O 3

鎵元素是在門捷列夫元素週期表發表四年後被發現的，它的性質與 eka-鋁驚人地一致，正好符合他在表格中預測的位置。這也適用於鎵後面的元素，它最終被命名為鍺。

門捷列夫的元素週期表得到了科學界的廣泛認可，併為他贏得了元素週期律發現者的榮譽。1955 年合成的 101 號元素以元素週期表創始人門捷列夫命名為鍆。

0 族：稀有氣體

元素週期表最右側的元素被稱為稀有氣體，即 0 族。它們非常不活潑，因為它們具有完整的電子層，使其具有自然穩定的電子排列（它們不需要反應就能形成穩定的排列）。所以我們說它們是惰性的——極其不活潑，不參與化學反應，它們以單個原子（單原子）的形式存在。

稀有氣體的沸點隨相對原子質量的增加而增加，因此在族中越往下，沸點越高。這是由於隨著原子變大，分子間作用力增強，導致從一種狀態轉變為另一種狀態所需的能量更多。然而，與金屬相比，它們都具有非常低的沸點和熔點，並且通常在室溫下以氣體的形式存在。

1 族：鹼金屬

元素週期表最左側的元素被稱為鹼金屬或 1 族（因為它們的外層電子層中都有 1 個電子）。為了形成穩定的排列，它們需要失去 1 個電子，從而變成陽離子 (1⁺)。所有鹼金屬都很軟（因為它們很容易用刀切割）並且具有相對較低的熔點和沸點。

這顯示了氫氧化鈉，是鈉與水反應後的產物。

鹼金屬因其與水的反應而得名

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

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

鹼金屬與水反應生成鹼金屬氫氧化物和氫氣。氫氧化物是一種鹼，其 pH 值大於 7，能夠溶解在水中，使通用指示劑變為藍色或紫色。

鹼金屬的反應性隨著其在週期表中位置的下降而增加，因為更多填充的電子層會產生更高的遮蔽效應，這意味著電子更容易失去。這意味著如果鍅與水反應，將會發生爆炸。

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

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

鹼金屬與氧氣反應生成鹼金屬氧化物。這解釋了為什麼當你切開鹼金屬時，光亮表面會很快變得暗淡，因為會形成氧化層，與氧氣發生反應。這也解釋了為什麼當你將鹼金屬放入裝滿氧氣的罐子中時，它們會劇烈燃燒。氧化物會以白煙的形式生成。

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

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

第一主族金屬與氯氣反應生成（氯）化物，一種包含氯和另一種元素的化合物。

第七主族：鹵素

鹵素是元素週期表中的第七主族元素，在最外層有 7 個電子。鹵素是非金屬，由雙原子（兩個鹵素原子鍵合在一起）分子組成，在室溫下為氣體。隨著你沿著第七主族向下移動，鹵素的反應性降低，熔點和沸點升高。這與鹼金屬恰恰相反，鹼金屬的反應性隨著你沿著週期表向下移動而增加。

鹵素與金屬反應生成鹽，鹽由離子鍵結合在一起。鹵素成為滷離子，帶 1- 電荷。當它們與金屬鍵合時。為了寫出形成的鹽，你只需要記住形成的新化合物的淨電荷必須為 0。例如，鈉（一種鹼金屬）與氯（一種鹵素）反應生成氯化鈉，如上所示。另一個例子是

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

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

正如我們所見，鐵（一種過渡金屬）與溴（一種鹵素）反應生成溴化鐵。記住，鹵素是雙原子的。

鹵素與非金屬共價反應生成具有簡單分子結構的化合物。

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

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

鹵素的置換反應

反應性更強的鹵素可以從其鹽的水溶液中置換出反應性較弱的鹵素。簡單來說，週期表中位置較高的鹵素將置換出位置較低的鹵素，因為反應性沿著週期表向下移動而降低。

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

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

注意雙原子鹵素在離子反應時如何失去其對。這是因為它們可以透過與金屬共價鍵合來獲得完整的電子層。

快速問題

能量的定義是什麼？ 系統（物體或物體組）可能發生的能量變化的最大值

兩種主要的能量儲存型別是什麼？它們之間有什麼區別？ 與運動有關的能量儲存（動能）和與物體在空間中的位置有關的勢能儲存。

能量用什麼單位測量？ 焦耳

什麼是比熱容？ 使 1 公斤物質升溫 1${\text{°C}}$ 所需的能量。

什麼是功率？ 能量傳遞的速率