地球行星/3e. 元素週期表與電子軌道
如果沒有原子內部的電子，原子將永遠不會鍵合或相互作用形成分子、晶體和其他複雜材料。電子在化學中極其重要，因為它們決定了原子如何相互作用。難怪大多數科學教室都展示元素週期表，而不是更繁瑣的核素圖表，因為元素週期表根據質子和電子的數量來組織元素，而不是質子和中子的數量。
如前所述，電子是難以捉摸的亞原子粒子，它們可以增加其能量狀態，甚至完全離開原子形成等離子體，也稱為電。電是自由電子的流動，這些電子可以在金屬線等導電材料中以接近光速的速度移動。在下一節中，我們將詳細研究電子如何在原子中以軌道的形式排列。但是，請記住，被高水平的電磁輻射轟擊的高激發原子，例如升高的溫度和高壓，電子可以離開原子，而在接近絕對零度開爾文的極低溫度下，電子將非常靠近原子核形成玻色-愛因斯坦凝聚。當我們想到溫度（熱量）時，真正指示的是物質原子內部電子的能量狀態，無論它是氣體、液體還是固體。物質越熱，電子具有的振動能量就越多。
電子以非常快的速度繞原子核執行，沒有離散的軌道路徑，而是像一個被稱為軌道殼的電磁場。 海森堡原理描述了測量這些電子軌道殼的不可能性質，因為任何時候科學家使用光子來測量電子的位置，它都會移動並改變其能量水平。電子在原子核周圍的軌道中確切位置始終存在不確定性。因此，電子軌道殼是電子在任何時刻都可能存在的機率場。
帶負電的電子被吸引到帶正電的質子，因此在大多數原子中觀察到數量相等的電子和質子。
19 世紀中期工作的早期化學家只知道少數幾種元素，這些元素根據它們之間的反應性被分為三大類，即鹵素、鹼金屬和鹼土金屬。到 1860 年，其中許多元素的原子質量已被報道，這使得俄羅斯科學家德米特里·門捷列夫能夠根據它們的反應性和原子質量來排列元素。
在編寫化學教科書時，門捷列夫偶然發現了每一組元素都有遞增原子質量的想法，因此一組鹵素將具有不同質量的元素。在不知道潛在原因的情況下，門捷列夫根據它們的原子序數（質子數）來組織元素，這與原子質量和電子軌道數有關，而電子軌道數與元素與其他元素鍵合的反應性有關。雖然這些早期的元素週期表與我們現代的元素週期表看起來完全不同，但它們激發了化學家發現更多元素的熱情。下一個重大突破是惰性氣體的發現和廣泛接受，其中包括氦和氬，它們是已知的反應性最弱的元素。
那麼，原子的反應性如何與其原子質量相關？電子被吸引到原子核，數量與質子數相等，而質子數是原子質量的一半。原子質量越大，質子越多，吸引的電子就越多。但是，電子更喜歡以組的形式填充電子軌道殼，因此不完整的電子軌道殼會吸引其他電子，即使電子和質子數量相等。如果一個原子具有完整的電子組，該組與質子數相匹配，那麼它將不具有反應性，而那些需要少一個電子或多一個電子才能填充軌道組的元素是反應性最強的元素型別。
| 族 → | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||
| ↓ 週期 | ||||||||||||||||||||
| 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 |
| * 鑭系元素 | 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 | |||||||
| ** 錒系元素 | 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 | |||||||
| 鹼金屬2 | 鹼土金屬2 | 鑭系元素12 | 錒系元素12 | 過渡金屬2 |
| 貧金屬 | 類金屬 | 非金屬 | 鹵素3 | 惰性氣體3 |
1錒系元素和鑭系元素統稱為“稀土金屬”。2鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、錒系元素和鑭系元素統稱為“金屬”。3鹵素和惰性氣體也是非金屬。
在標準溫度和壓力下的狀態
- 原子序數為藍色的元素在 STP 下未知
- 原子序數為紅色的元素在標準溫度和壓力 (STP) 下為氣體
- 原子序數為綠色的元素在 STP 下為液體
- 原子序數為黑色的元素在 STP 下為固體
自然界中的存在
未知性質。
- 帶有青色背景的元素具有未知的化學性質。
元素週期表的第一行包含兩個元素：氫和氦。
氫原子核有一個質子，因此它吸引一個電子。然而，電子軌道殼層更傾向於包含兩個電子，因此氫與其他元素反應性很高，例如在氧氣存在的情況下，它會爆炸！氫更希望在它的電子軌道殼層中擁有兩個電子，但由於它只有一個質子，所以它會盡可能地“偷取”或“借用”附近原子的其他電子。
氦原子核有兩個質子，因此它吸引兩個電子。由於兩個電子是第一個軌道殼層的理想數量，氦不會與其他元素髮生反應，事實上，將氦與其他元素結合起來非常困難（幾乎不可能）。氦是一種惰性氣體，這意味著它在軌道殼層中包含了完整的電子集。
元素週期表的列按每個軌道殼層中電子的數量排列，而原子序數（質子數量）由行表示。
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元素週期表的第一行是當前兩個電子填充第一個軌道殼層時，稱為 1s 軌道殼層。第二行是當接下來的兩個電子填充 2s 軌道殼層，而 6 個電子填充 2p 軌道殼層。第三行是當接下來的 6 個軌道填充 3p 軌道殼層，而 2 個電子填充 4s 軌道殼層。第四行是當接下來的 10 個軌道填充 3d 軌道殼層，而 6 個電子填充 4p 軌道，而 2 個電子填充 5s 軌道。
一個價電子是與原子相關的最外層電子，但沒有完全填充最外層軌道殼層，因此參與原子間的鍵合。價層是原子的最外層殼層。具有完整價層的元素（惰性氣體）化學反應性最低，而那些價層中只有一個電子（鹼金屬）或只有一個電子缺失才能形成完整殼層（鹵素）的元素反應性最高。氫原子價層中只有一個電子，但它也只有一個電子缺失才能形成完整殼層，它具有獨特且反應性非常強的性質。
元素的價電子數量可以透過元素週期表中的族（垂直列）確定。除了第 3-12 族（過渡金屬和稀土元素）之外，這些列透過與元素的中性原子相關的價電子數量來識別。每個 s 亞層最多容納 2 個電子，而 p 亞層容納 6 個，d 亞層容納 10 個電子，然後是 f 亞層容納 14 個，最後是 g 亞層容納 18 個電子。觀察元素週期表的前幾行，瞭解它是如何起作用以確定特定元素的每個原子中包含多少價電子（<）。
| 元素 | 電子數 | 1s | 2s | 2p | 2p | 2p | 價電子數 電子 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 氫 | 1 | < | 1 | ||||
| 氦 | 2 | <> | 0 | ||||
| 鋰 | 3 | <> | < | 1 | |||
| 鈹 | 4 | <> | < | < | 2 | ||
| 硼 | 5 | <> | < | < | < | 3 | |
| 碳 | 6 | <> | < | < | < | < | 4 |
| 氮 | 7 | <> | <> | < | < | < | 3 |
| 氧 | 8 | <> | <> | <> | < | < | 2 |
| 氟 | 9 | <> | <> | <> | <> | < | 1 |
| 氖 | 10 | <> | <> | <> | <> | <> | 0 |
請注意，氦和氖沒有價電子，這意味著它們沒有反應性，也不會與其他原子形成鍵。但是，鋰有 1 個價電子，如果這個電子被移除，它將有 0 個價電子，這使得鋰具有高度反應性。此外，請注意，氟只需要再獲得一個價電子就可以完成它的 2s 和 2p 軌道，這使得氟也具有高度反應性。碳在這個元素集中具有最多的價電子，它會吸引或放棄 4 個電子來完成 2s 和 2p 軌道的集合。
瞭解價電子數量對於理解原子如何相互形成鍵合形成分子至關重要。例如，元素週期表中包含鋰的第一列中的所有元素都有 1 個價電子，它們很可能與需要 1 個價電子才能填充軌道殼層的元素形成鍵合，例如元素週期表中氟列中的元素。
元素週期表中的某些列具有特定的歷史名稱。包含鋰的第一列元素統稱為鹼金屬（氫氣是獨特的，通常不被認為是鹼金屬的一部分），包含氦的最後一列元素都有 0 個價電子，統稱為惰性氣體。氟列下的元素需要 1 個價電子才能填充軌道殼層，被稱為鹵素，而鈹列下的元素被稱為鹼土金屬，它們有 2 個價電子。大多數其他列沒有特定的名稱（有時統稱為過渡金屬），但它們可以用來確定價電子數量，例如碳和列出的元素會有 4 個價電子，而列出的所有元素都會有 2 個價電子氧。請注意，在元素鋇之後，插入了兩行元素，它們是鑭系元素和錒系元素，它們包含 4s、4p、4d、4f 軌道中的電子，最大可能總共 32 個電子，在漂亮的表格中顯示太長了，因此這些元素通常在元素週期表底部顯示。
典型的大學化學課程會詳細講解電子軌道殼層，但瞭解電子軌道如何工作很重要，因為電子的排列決定了每個元素的原子如何在分子中形成鍵。在下一節中，我們將考察原子如何聚合形成鍵，以及如何以不同的方式組合在一起形成你在地球上觀察到的物質。
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