元素周期表

  现代化学的元素周期律是1869年由俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的,他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列,把有相似化学性质的元素放在同一行,就是元素周期表的雏形。利用周期表,门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性(、钪、)。  1913年英国科学家亨利·莫塞莱利用阴极射线撞击金属产生X射线,发现原子序越大,X射线的频率就越高,因此他认为核的正电荷决定了元素的化学性质,并把元素依照核内正电荷(即质子数或原子序)排列,经过多年修订后才成为当代的周期表。
  
  在周期表中,元素是以元素的原子序排列,最小的排行最先。表中一横行称为一个周期,一直行称为一个族
  现代的周期表拥有高系统性及分类性,故在化学范畴中均会使用,除此之外,在各个理工的范畴,例如物理生物和工程,尤其是化学工程等范畴都不难发现元素周期表的踪迹。直至2010年4月,周期表中共有118种已经发现的元素(元素1-118)。

元素周期表的创立

  门捷列夫(1834~1907)是俄罗斯伟大的化学家,化学元素周期表的创始人。   
  1850年,门捷列夫进入中央师范学院学习,在大学一年级,门捷列夫就迷上了化学。20岁那年,门捷列夫的第一篇科学论著《关于芬兰褐廉石》发表在矿物学协会的刊物上,在研究同晶现象方面完成了巨大和重要的研究。1855年,门捷列夫以第一名的优异成绩毕业于师范学院,曾担任中学教师,后来门捷列夫在彼得堡参加硕士考试,并在说有的考试科目中都获得了最高的评价。在他的硕士论文中,门捷列夫提出了“伦比容”,这些研究对他今后发现周期律有至关重要的意义。两年后,23岁的门捷列夫被批准为彼得堡大学的副教授,开始教授化学课程,主要负责讲授《化学基础》课。在理论化学里应该指出自然界到底有多少元素?元素之间有什么异同和存在什么内部联系?新的元素应该怎样去发现?这些问题,当时的化学界正处在探索阶段。
  1860年在德国卡尔斯卢厄召开第一次国际化学家代表大会,会议上解决了许多重要的化学问题,最终确定了“原子”、“分子”、“原子价”等概念,并为测定元素的原子量奠定了坚实的基础。这次大会也对门捷列夫形成周期律的思想产生了很大的影响。   
  1861年门捷列夫回到彼得堡,重担化学教授工作。虽然教学工作非常繁忙,但他继续着科学研究。门捷列夫深深的感觉到化学还没有牢固的基础,化学在当时只不过是记述零星的现象而已,甚至连化学最基本的基石——元素学说还没有一个明确的概念。门捷列夫开始编写一本内容很丰富的著作《化学原理》。他遇到一个难题,即用一种怎样的合乎逻辑的方式来组织当时已知的63种元素。门捷列夫仔细研究了63种元素的物理性质和化学性质,他准备了许多扑克牌一样的卡片,将63种化学元素的名称及其原子量、氧化物、物理性质、化学性质等分别写在卡片上。他用不同的方法去摆那些卡片,用以进行元素分类的试验。   
  1869年3月1日,门捷列夫仍然在对着这些卡片苦苦思索。他先把常见的元素族按照原子量递增的顺序拼在一起,之后是那些不常见的元素,最后只剩下稀土元素没有全部“入座”,门捷列夫无奈地将它放在边上。从头至尾看一遍排出的“牌阵”,门捷列夫惊喜地发现,所有的已知元素都已按原子量递增的顺序排列起来,并且相似元素依一定的间隔出现。第二天,门捷列夫将所得出的结果制成一张表,这是人类历史上第一张化学元素周期表。在这个表中,周期是横行,族是纵行。在门捷列夫的周期表中,他大胆地为尚待发现的元素留出了位置,并且在其关于周期表的发现的论文中指出:按着原子量由小到大的顺序排列各种元素,在原子量跳跃过大的地方会有新元素被发现,因此周期律可以预言尚待发现的元素。   
  1871年12月,门捷列夫在第一张元素周期表的基础上进行增益,发表了第二张表。在该表中,改竖排为横排,使用一族元素处于同一竖行中,更突出了元素性质的周期性。至此,化学元素周期律的发现工作已圆满完成。化学界通将周期律称为门捷列夫周期律:主族元素越是向右非金属性越强,越是向上金属性越强。同主族元素,随着周期数的增加,分子量越来越大,半径越来越大,金属性越来越强。同周期元素,随着原子系数数的增加,分子量越来越大,半径越来越小,非金属性越来越强。最后一列上都是稀有气体,化学性质稳定。恩格斯在《自然辩证法》一书中曾经指出:“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律,完成了科学上的一个勋业,这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。”

·元素周期表的其他探索

  道尔顿提出科学原子论后,随着各种元素的相对原子质量的数据日益精确和原子价(化合价)概念的提出,就使元素相对原子质量与性质(包括化合价)之间的联系显露出来。德国化学家德贝莱纳就提出了“三元素组”观点。他把当时已知的54种元素中的15种,分成5组,每组的三种元素性质相似,而且中间元素的相对原子质量等于较轻和较重的两个元素相对原子质量之和的一半。例如,性质相似,锶的相对原子质量大约是钙和钡的相对原子质量之和的一半。
    法国矿物学家尚古多提出了一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按相对原子质量的大小顺序,标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上,这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。这种排列方法很有趣,但要达到井然有序的程度还有困难。另外尚古多的文字也比较暧昧,不易理解,虽然是煞费苦心的大作,但长期未能让人理解。英国化学家纽兰兹把当时已知的元素按相对原子质量大小的顺序进行排列,发现无论从哪一个元素算起,每到第八个元素就和第一一个元素的性质相近。这很像音乐上的八度音循环,因此,他干脆把元素的这种周期性叫做“八音律”,并据此画出了标示元素关系的“八音律”表。显然,纽兰兹已经下意识地摸到了“真理女神"的裙角,差点就揭示元素周期律了。不过,条件限制了他做进一步的探索,因为当时相对原子质量的测定值有错误,而且他也没有考虑到还有尚未发现的元素,只是机械地按当时的相对原子质量大小将元素排列起来,所以他没能揭示出元素之间的内在规律。他的“八音律”在英国化学学会上受到了嘲弄,主持人以不无讥讽的口吻问道:“你为什么不按元素的字母顺序排列?那样,也许会得到更加意想不到的美妙效果。”
    德国化学家迈耶尔借鉴了德贝莱纳、纽兰兹等人的研究成果,从化合价和物理性质方面人手,去探索元素间的规律。在他的《近代化学理论》一书中,刊登了元素周期表,表中列出了28个元素,他们按相对原子质量递增的顺序排列,一共分成六族,并给出了相应的原子价是4、3、2、1、1、2。1868年,发表了第二张周期表,增加了24个元素和9个纵行,并区分了主族和副族。迈耶尔的第三张元素周期表发表于1870年,他采用了竖式周期表的形式,并且预留了一些空位给有待发现的元素,但是表中没有元素。可以说,迈耶尔已经发现了元素周期律。
元素周期表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
电子层
0族电子数
周期
I A
 
A
1
1 H
 
2 He
K
2
II A
 
III A
IV A
V A
VI A
VII A
2
3 Li
4 Be
 
5 B
6 C
7 N
8 O
9 F
10 Ne
L K
8 2
3
11 Na
12 Mg
 
13 Al
14 Si
15 P
16 S
17 Cl
18 Ar
M L K
8 8 2
III B
IV B
V B
VI B
VII B
VIII
I B
II B
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
N M L K
8 18 8 2
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
O N M L K
8 18 18 8 2
6
55 Cs
56 Ba
57- 71 镧系
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
P O N M L K
8 18 32 18 8 2
7
87 Fr
88 Ra
89- 103 锕系
104 Rf
105 Db 𨧀
106 Sg 𨭎
107 Bh 𨨏
108 Hs 𨭆
109 Mt
110 Ds
111 Rg
112 Cn
113 Uut  
114 Uuq  
115 Uup  
116 Uuh  
117 Uus  
118 Uuo  
 
 
 
57 La
58 Ce
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
 
 
 
 
89 Ac
90 Th
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
 
 
 
 
  序号绿色在标准状况下为气体;  序号蓝色为液体;  序号黑色为固体;  序号红色人工合成元素。

排序

  
  周期表的编排显示出不同元素的化学性质的周期性,在周期表中,元素按原子序(即原子核内的质子数目递增次序排列,并分为若干列和栏,在同一列中的称为同一周期,根据量子力学,周期对应着元素原子的电子排布,显示出该原子的已装填电子层数目。沿着周期表向下,周期的长度逐渐上升,并按元素的电子排布划分出s区元素、p区元素、d区元素f区元素。
  同一栏中的则称为同一族,同一族的元素有着相似的化学性质。
  在印刷的周期表中,会列出元素的符号和原子序。而很多亦会附有以下的资料,以元素X为例:
{}_Z^A\!X_n^e  A:质量数 (Mass number) ,即相对原子质量,数值上约为原子核质子中子)的粒子数目。  Z:原子序,即质子的数目。由于它是固定的,一般不会标示出来。  e:净电荷,正负号写在数字后面。  n:原子数目元素在非单原子状态(分子化合物)时的数目。  除此之外,部份较高阶的周期表更会列出元素的电子排布、电负性和价电子数目。  直至2010年,周期表中有94种是自然存在于地球中,其余都是使用粒子加速器合成的人工元素。不过有些元素都是先在实验室中合成,然后才在大自然中发现,例如43号元素锝、61号元素钷、85号元素砈、87号元素鍅、93号元素镎和94号元素钚都是因为没有稳定同位素、故首先由人工合成发现,然后才在自然界中发现这些因为放射衰变而生成的元素。

元素周期表中元素及其化合物的递变性规律

  原子半径
  (1)除第1周期外,其他周期元素(惰性气体元素除外)的原子半径随原子序数的递增而减小;
  (2)同一族的元素从上到下,随电子层数增多,原子半径增大。
  元素化合价
  (1)除第1周期外,同周期从左到右,元素最高正价由碱金属+1递增到+7,非金属元素负价由碳族-4递增到-1(氟无正价,氧无+6价,除外);
  (2)同一主族的元素的最高正价、负价均相同
  单质的熔点
  (1)同一周期元素随原子序数的递增,元素组成的金属单质的熔点递增,非金属单质的熔点递减;
  (2)同一族元素从上到下,元素组成的金属单质的熔点递减,非金属单质的熔点递增
  元素的金属性与非金属性
  (1)同一周期的元素从左到右金属性递减,非金属性递增;
  (2)同一主族元素从上到下金属性递增,非金属性递减。
  最高价氧化物和水化物的酸碱性
  元素的金属性越强,其最高价氧化物的水化物的碱性越强;元素的非金属性越强,最高价氧化物的水化物的酸性越强。
  非金属气态氢化物
  元素非金属性越强,气态氢化物越稳定。同周期非金属元素的非金属性越强,其气态氢化物水溶液一般酸性越强;同主族非金属元素的非金属性越强,其气态氢化物水溶液的酸性越弱。
  单质的氧化性、还原性
  一般元素的金属性越强,其单质的还原性越强,其氧化物的氧离子氧化性越弱;元素的非金属性越强,其单质的氧化性越强,其简单阴离子的还原性越弱。 

推断元素位置的规律

  判断元素在周期表中位置应牢记的规律:
  (1)元素周期数等于核外电子层数;
  (2)主族元素的序数等于最外层电子数。

化学性质的周期性

    周期表最大的价值是可以透过元素的位置,而知道其化学性质,需要留意的是,性质的变化的程度沿周期由左至右较沿族由上至下大。

各种元素周期表

·彩色元素周期表

·海报版元素周期表