元素周期表


X
合成元素
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液体/熔体
(室温)
X
固体
X
气体
其他非金属
元素
碱金属
元素
碱土金属
元素
准金属
元素
其他金属
元素
卤族
元素
惰性气体
元素
过渡金属
元素
镧系-锕系
元素




周期表

我们今天使用的元素周期表是基于门捷列夫在1869年设计和出版的周期表。

门捷列夫发现他可以把当时已知的65种元素排列成一个网格或表格,这样每个元素就有:

“如果所有元素都按照其原子量的顺序排列,就会得到周期性的性质重复。这是用周期定律来表示的。"

门捷列夫:《化学原理》,第2卷,1902年,科利尔出版社,第17页。

“我们有证据证明,在原子中存在一个基本量,随着从一种元素到另一种元素,这个基本量会按规则的步骤增加。这个量只能是中心正核上的电荷,我们已经有了明确的证据。“

亨利·莫斯利,《哲学杂志》,第26卷,1913年,第1030页。

“原子的化学性质只取决于电子的数量,它等于质子的数量,被称为原子序数。化学就是简单的数字,这是毕达哥拉斯喜欢的想法。如果原子只有一个质子,那就是氢;2、氦;……”

卡尔·萨根,《宇宙》,1980年,兰登书屋,第23页。

元素周期表的基础

1913年,化学和物理是颠三倒四的。一些重量级人物——包括门捷列夫——认真地讨论了比氢轻的元素以及氢和氦之间的元素。原子的可视化是一场混战,门捷列夫基于原子重量来解释周期表的理由正在分崩离析。

元素周期表的规律:

1.原子质量比左边的原子高。例如,镁(原子量24.3)被放在钠(原子量23.0)的右边:

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2.周期表中相同颜色的列具有相似的化学性质,换句话说,类似的化学反应。例如,镁被放置在碱土的柱中,与其他具有相似性质的元素一起:

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就像亚当斯和勒维耶在纸上发现了海王星一样,门捷列夫也在纸上发现了锗。在观察到元素周期表中硅和锡之间的缝隙后,他将这种新元素命名为eka-硅:

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同样,门捷列夫在纸上发现了镓(镓-铝)和钪(镓-硼),因为他在实际发现它们之前就预测了它们的存在和性质。

门捷列夫虽然取得了关键的突破,但他几乎没有取得进一步的进展。事后人们知道,门捷列夫的周期表是由错误的推理支撑的。门捷列夫错误地认为,化学性质是由原子量决定的。当然,当考虑到1869年的科学知识时,这是完全合理的。

1869年,电子本身还没有被发现——之后的27年里,这种情况一直没有发生。

事实上,门捷列夫周期表中规律的正确解释花了整整44年才被发现……

解释的发现

1913年,亨利·莫斯利(Henry Moseley)给出了解释,他向原子发射电子,激发了x射线。莫斯利发现,他所研究的每个元素都以独特的频率发射出x射线。

当他观察一系列元素发出的频率时,他发现了一个模式,如果原子核中的正电荷从一个元素到另一个元素恰好增加一个单位,这个模式就能得到最好的解释。

换句话说,莫斯利发现元素之间存在差异,因为它们的原子有不同数量的质子。他发现元素在元素周期表中的位置可以更好地由它们的原子序数而不是它们的原子质量来预测。(一种元素的原子序数等于其原子中的质子数,也就是电子数。)

莫斯利的发现解决了钴-镍和氩-钾的问题。

考虑到氩-钾问题,我们知道氩的原子量比钾高。根据门捷列夫的推理,在周期表中,氩应该排在钾之后。但是,这样做就化学性质而言没有意义。

莫斯利的工作表明,氩的原子序数是18,钾的原子序数是19。因此,在周期表中,根据原子序数,氩应该排在钾之前。全世界的化学家都松了一口气,因为这与观察到的这些元素的化学性质一致。

莫斯利还在纸上模仿门捷列夫发现新元素的成就,发现了四个没有匹配元素的原子序数。他预言了原子序数为43、61、72和75的元素的存在。这些元素确实被发现了;我们现在叫它们锝,钷,铪和铼。

今天,当我们从左到右看周期表时,化学元素仍然按照原子序数(Z)的递增顺序排列。我们称水平线为周期。例如,这里是第四段:

我们称垂向的列为

例如,这里是第2组:

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我们现在还知道元素的化学性质是由它的电子排列方式决定的——它的电子构型。

原子中的电子可以被描绘成占据原子核周围的层或壳层。可以把电子想象成绕着类似太阳的原子核快速旋转的小行星,而原子核是质子和中子的所在地。这被称为玻尔原子表示法。这实际上是一个近似值,但它是理解元素化学性质的一个很好的起点。

如果排除过渡金属元素,可以说,占据元素周期表相同基团的原子具有相同数量的外层电子。例如,第二组的所有元素,如左图所示,都有两个外层电子。

价电子

化学反应是价电子引起。

第一族所有的元素都有一个价电子;第二族,两个价电子;第13族,3个价电子;第14族,4个价电子;第15族,5个价电子;第16族,6个价电子;第17族,7个价电子;第18族,有8个价电子,除了氦,它有2个价电子。

18族是惰性气体族,一组不活泼的元素。稀有气体不愿发生化学反应是我们理解其他元素为什么会发生化学反应的关键。

稀有气体不活泼,因为它们的外层电子壳层是满的。满壳的外层电子是一种特别稳定的排列。这意味着惰性气体原子不容易获得或失去电子;它们很难与其他原子反应,或者根本不反应。

其他原子失去电子、获得电子或共用电子,以达到与惰性气体相同的电子构型——在此过程中,它们形成化学键,并形成新的物质。

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例如,在上图中,一个钠原子失去了它的价电子给了一个氯原子。当一个原子失去或得到一个或多个电子时,它就不能再被描述为原子——它被称为离子。

所有的离子都带正电荷或负电荷。

由于钠原子失去了一个带负电荷的电子,它变成了一个带正电荷的钠离子:Na+。这种钠离子比钠原子少一个电子,具有与惰性气体氖相同的电子构型,化学性质稳定。

氯原子,开始有7个价电子,得到1个电子,变成带负电荷的氯离子:Cl-。这个离子和惰性气体氩有相同的电子构型,因此这个离子在化学上也是稳定的。

带正电的钠离子和带负电的氯离子相互吸引,形成稳定的化学化合物,氯化钠。这些静电键叫做离子键。

对于过渡金属来说,情况比上面描述的要稍微复杂一些,因为来自过渡金属原子中较低能级的电子可以成为价电子。这就是为什么,例如,我们可以得到不同类型的铜离子,Cu+和Cu2+,铁离子,Fe2+和Fe3+。

原子中的价电子数是门捷列夫在1869年观察到的规律的基础,这些规律最终给了我们现代元素周期表。