高中化學/元素週期表中的族

透過介紹電子構型，我們開始對元素週期表有了更深入的瞭解。對這些電子構型的理解將證明，在我們研究鍵合和化學反應時非常有價值。下面展示了用於表示電子構型的軌道表示方法。軌道表示法在之前的章節中已經學過，但就像你在化學中學習的許多技能一樣，它將在本章和課程後面幾個章節中被廣泛使用。

在本課中，我們將重點關注電子構型與元素週期表中的主族元素之間的聯絡。我們需要記住元素週期表中的亞層填充組。請記住下面的圖。我們將在接下來的兩章中使用它。

課程目標

描述主族元素的電子構型中存在的規律。
識別元素週期表中包含1) 鹼金屬，2) 鹼土金屬，3) 鹵素和4) 惰性氣體的列，並描述每個族電子構型的差異。
已知元素最外層能級的電子構型，確定它在元素週期表中的族。

鹼金屬在最外層能級上有1個電子

以s¹結尾的元素 = 鹼金屬

在元素週期表中，元素按原子序數遞增排列。在前面的材料中，我們瞭解到原子序數是原子核中質子的數量。對於中性原子，質子數等於電子數。因此，對於中性原子，元素週期表也是按電子數遞增排列的。現在看一下元素週期表中的第一族或列。它是在上面的元素週期表圖中標記為“1A”的那一列。族或家族是元素的垂直列。第一族有7個元素，代表元素週期表中的7個週期。請記住，元素週期表中的週期是水平行。1A族是唯一一個有7個元素的族。

表 9.1：1A族金屬的電子構型
元素	原子序數	電子構型
鋰 (Li)	3	$1s^{2}2s^{1}$
鈉 (Na)	11	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$
鉀 (K)	19	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}$
銣 (Rb)	37	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{1}$
銫 (Cs)	55	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{1}$
鍅 (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族金屬的電子構型
元素	原子序數	電子構型
鋰 (Li)	3	$1s^{2}2s^{1}$
鈉 (Na)	11	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$
鉀 (K)	19	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{1}$
銣 (Rb)	37	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{1}$
銫 (Cs)	55	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{1}$
鍅 (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組有什麼共同點嗎？它們都有 _s_¹ 作為最外層電子層電子排布。 “_s_” 前面的整數告訴你元素所在的週期。例如，鈉（Na）的電子排布為 1_s_²2_s_²2_p_⁶3_s_¹，所以它在第三週期。它是本週期的第一個元素。

這組元素被稱為 **鹼金屬**。它們的名字來源於古代阿拉伯語（al kali），因為當時的“科學家”發現他們燃燒的植被灰燼中含有大量的鈉和鉀。在阿拉伯語中，_al kali_ 意思是 _灰燼_。我們今天知道，所有鹼金屬的電子排布都以 _s_¹ 結尾。你可能要注意到，雖然氫通常被放在第 1 組，但它不被認為是鹼金屬。原因將在後面討論。

鹼土金屬在其外層電子層有兩個電子

以 _s_² 結尾的元素 = 鹼土金屬

看一下表 9.2 中的第 2A 組，我們可以使用與第 1 組相同的分析方法，看看是否能找到類似的趨勢。它是元素週期表中的第二列，只包含六種元素。

表 9.2：第 2A 族金屬的電子排布
元素	原子序數	電子構型
鈹 (Be)	4	$1s^{2}2s^{2}$
鎂 (Mg)	12	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}$
鈣 (Ca)	20	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}$
鍶 (Sr)	38	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}$
鋇 (Ba)	56	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}$
鐳 (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 族金屬的電子排布
元素	原子序數	電子構型
鈹 (Be)	4	$1s^{2}2s^{2}$
鎂 (Mg)	12	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}$
鈣 (Ca)	20	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}$
鍶 (Sr)	38	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}$
鋇 (Ba)	56	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}$
鐳 (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）的所有元素有什麼共同點嗎？它們都具有s²的最高能級電子構型。 “s”前面的整數告訴您該元素位於哪個週期。例如，鎂 (Mg) 的電子構型是1s²2s²2p⁶3s²，因此它位於第三週期，是該週期的第二個元素。請記住，s亞層可以容納兩個電子，因此在第二主族中，s軌道已經填滿了。

該族中的元素被稱為鹼土金屬。它們之所以得名，是因為早期的“科學家”發現所有的鹼土金屬都存在於地殼中。鹼土金屬雖然不如鹼金屬活潑，但仍然具有很高的活性。所有鹼土金屬的電子構型都以s²結尾。

稀有氣體在其最外層電子層具有 8 個電子

以s²p⁶結尾的元素 = 稀有氣體

第一個分離出稀有氣體的人是亨利·卡文迪許，他在 18 世紀後期分離出了氬。稀有氣體實際上被認為是惰性氣體，直到 20 世紀 60 年代，氙和氟之間形成了化合物，這改變了化學家對“惰性”氣體的看法。在英語中，惰性意味著沒有生命或靜止不動；在化學領域，惰性意味著不反應。後來，術語“稀有氣體”取代了“惰性氣體”作為第八主族的名稱。

當我們為這些元素寫電子構型時，我們看到了與第一主族和第二主族相同的總體趨勢；也就是說，組內具有相似的電子構型。

表 9.3：第八主族氣體的電子構型
元素	原子序數	電子構型
氦 (He)	2	$1s^{2}$
氖 (Ne)	10	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}$
氬 (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：第八主族氣體的電子構型
元素	原子序數	電子構型
氦 (He)	2	$1s^{2}$
氖 (Ne)	10	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}$
氬 (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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{6}$

除了氦氣 (He)，所有惰性氣體都具有相同的外部能級電子構型：ns²np⁶，其中 n 是週期數。因此，氬氣 (Ar) 位於第三週期，是一種惰性氣體，因此其外部能級電子構型為 3s²3p⁶。請注意，s 和 p 亞層都已填滿。氦氣的電子構型可能適合於 2A 族。但是，由於氦氣的第一能級已滿，其化學反應性與惰性氣體相似。

鹵素原子外部能級有 7 個電子

以 s²p⁵ 結尾的元素為鹵素

鹵素是一組有趣的元素。鹵素是 7A 族元素，也稱為 17 族。它是元素週期表中唯一一個在室溫下包含所有物質狀態的族。氟氣 (F₂) 和氯氣 (Cl₂) 是氣體。溴 (Br₂) 是液體，而碘 (I₂) 和砈 (At₂) 都是固體。7A 族還有一個有趣的特點，它包含七種雙原子化合物中的四種。請記住，雙原子化合物包括 H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂、Br₂ 和 I₂。請注意，最後四種是 17 族元素。鹵素這個詞源於希臘語，意思是“鹽形成”。法國化學家發現，大多數鹵素離子與金屬結合時會形成鹽。我們已經知道一些：LiF、NaCl、KBr 和 NaI。

從圖中觀察 7A 族，我們可以發現與 1A 族、2A 族和 8A 族相同的類似電子構型模式。它是元素週期表中的第 17 族，只包含五種元素。

表 9.4：7A 族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{5}$
砈 (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 族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{5}$
砈 (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規律？它們的最外層電子構型都是ns²np⁵，其中n是週期數。你應該注意到，這些元素與惰性氣體元素相差一個族（惰性氣體元素通常不反應！），鹵素元素的最外層電子構型離滿殼層只差一個電子。例如，氯（Cl）的電子構型為[Ne] 3s²3p⁵，所以它位於第三週期，是主族元素中的第七個元素。正如你所知，主族元素相當於元素週期表中的s + p區（或上圖中的粉紅色和橙色族）。

氧族元素外層電子層有 6 個電子

以s²p⁴ 結尾的元素 = 氧族元素

氧及其在第六主族中的其他元素在電子構型方面有相似的趨勢。氧是族中唯一的氣體；其他元素在室溫下都處於固態。氧在 18 世紀後期由 Antoine Lavoisier 命名，但實際上地球上的氧氣早在植物出現的時候就存在了。

看一下下面圖中的第六主族，我們會發現電子構型與其他族一樣，也遵循相同的規律。氧及其族成員位於元素週期表中的第 16 族。在第 16 族中，同樣只有 5 個元素。

表 9.5：第六主族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{4}$
釙 (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：第六主族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{4}$
釙 (Po)	84	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{6}6s^{2}4f^{14}5d^{10}6p^{4}$

當我們檢查第六主族元素的電子構型時，我們會發現所有這些元素的最外層電子構型都是ns²np⁴。我們將看到，這種相似的電子構型賦予了族中所有元素相似的成鍵性質。

這些元素與惰性氣體相差兩個族，最外層電子構型離滿殼層差兩個電子。例如，硫的電子構型為 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴，所以它位於第三週期。硫是主族元素中的第六個元素。我們知道它是主族元素週期中的第六個元素，因為最外層電子層有 6 個電子。

氮族元素外層電子層有 5 個電子

以s²p³ 結尾的元素 = 氮族元素

正如我們在 6A 族中看到的那樣，5A 族在該族中也存在類似的奇異之處。氮是該族中唯一的氣體，其他所有成員在室溫下都處於固態。氮於 18 世紀後期由蘇格蘭化學家拉瑟福德首次發現。空氣主要由氮組成。氮在某些方面與該族成員的性質不同。正如我們將在後面的課程中學習到的那樣，氮的電子構型使其能夠形成非常強的三鍵。

氮及其家族成員屬於元素週期表中的第 15 族。在 15 族中，也只有五個元素。

表 9.6：5A 族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{3}$
銻 (Sb)	51	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{3}$
鉍 (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 族元素的電子構型
元素	原子序數	電子構型
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	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}4p^{3}$
銻 (Sb)	51	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}4s^{2}3d^{10}$ $4p^{6}5s^{2}4d^{10}5p^{3}$
鉍 (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 族元素的一般趨勢是什麼？它們都在最外層電子層具有 *ns*²*np*³ 的電子構型，其中 *n* 是週期數。這些元素距離惰性氣體三個族，最外層電子層電子構型距離完成最外層電子層三個電子。換句話說，15 族元素的 *p* 亞層是半滿的。例如，砷的電子構型為 1*s*²2*s*²2*p*⁶3*s*²3*p*⁶4*s*²3*d*¹⁰4*p*³，所以它位於第 4 週期，是主族元素中的第五個元素。我們知道它在主族元素的週期中是第五個元素，因為最外層電子層中有 5 個電子。

課程總結

元素週期表中的族是垂直列，也稱為族。
1A 族元素是鹼金屬，它們最外層電子層都只有一個電子，因為它們的電子構型以 *s*¹ 結束。
2A 族元素是鹼土金屬，它們最外層電子層都有兩個電子，因為它們的電子構型以 *s*² 結束。
5A 族元素最外層電子層都有五個電子，因為它們的電子構型以 *s*²*p*³ 結束。
6A 族元素最外層電子層都有六個電子，因為它們的電子構型以 *s*²*p*⁴ 結束。
7A 族元素是鹵素，它們最外層電子層都有七個電子，因為它們的電子構型以 *s*²*p*⁵ 結束。
8A 族元素是惰性氣體，它們最外層電子層都有八個電子，因為它們的電子構型以 *s*²*p*⁶ 結束。
8A 族元素的最外層電子層具有最穩定的電子構型，因為亞層被電子完全填滿。

複習問題

如果一種元素的最外層電子構型為 *ns*²*np*³，它位於元素週期表的哪個族？
(a) 3A族

(b) 4A族

(c) 5A族

(d) 7A族
8A族元素的一般電子構型是什麼？(注意：當我們想表示電子構型而不指定確切的能級時，我們使用字母“n”來表示任何能級數。也就是說，ns²np³ 表示以下任何一個: 2s²2p³, 3s²3p³, 4s²4p³ 等等.)
(a) ns²np⁶

(b) ns²np⁵

(c) ns²np¹

(d) ns²
2族元素被稱為什麼？
(a) 鹼金屬

(b) 鹼土金屬

(c) 鹵素

(d) 稀有氣體
使用下面的圖表，識別
(a) 鹼金屬，用字母表示元素所在位置，並寫出最外層電子構型。

(b) 鹼土金屬，用字母表示元素所在位置，並寫出最外層電子構型。

(c) 稀有氣體，用字母表示元素所在位置，並寫出最外層電子構型。

(d) 鹵素，用字母表示元素所在位置，並寫出最外層電子構型。

(e) 最外層電子構型為s²p³ 的元素，用字母表示元素所在位置。

(f) 最外層電子構型為s²p¹ 的元素，用字母表示元素所在位置。
在元素週期表中，說出最外層電子構型如下所示的元素是什麼。如果可能，請給出該族的名稱。
(a) 5s²

(b) 4s²3d¹⁰4p¹

(c) 3s²3p³

(d) 5s²4d¹⁰5p²

(e) 3s¹

(f) 1s²

(g) 6s²5d¹⁰6p⁵

(h) 4s²4p⁴

詞彙表

鹼金屬: 元素週期表中的第1族 (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)。
鹼土金屬: 元素週期表中的第2族 (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)。
族: 元素週期表中的縱列。
鹵素: 元素週期表中的第17族 (F, Cl, Br, I, At)。
主族元素: 等同於元素週期表的s + p 區，也稱為“代表元素”。
稀有氣體: 元素週期表中的第18族 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)。
週期: 元素週期表中的橫行。

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