元素週期律

元素週期律創始人——門捷列夫(1張)

19世紀60年代化學家已經發現了60多種元素，並積累了這些元素的原子量數據為尋找元素間的內在聯繫創造必要的條件。俄國著名化學家門捷列夫和德國化學家邁錫尼等分別根據原子量的大小，將元素進行分類排隊，發現元素性質隨原子量的遞增呈明顯的週期變化的規律。1868年，門捷列夫經過多年的艱苦探索發現了自然界中一個極其重要的規律——元素週期規律。這個規律的發現是繼原子-分子論之後，近代化學史上的又一座光彩奪目的里程碑它所藴藏的豐富和深刻的內涵，對以後整個化學和自然科學的發展都具有普遍的指導意義。1869年門捷列夫提出第一張元素週期表，根據週期律修正了銦、鈾、釷、銫等9種元素的原子量。他還預言了三種新元素及其特性並暫時取名為類鋁、類硼、類硅，這就是1871年發現的鎵、1880年發現的鈧和1886年發現的鍺。這些新元素的原子量、密度和物理化學性質都與門捷列夫的預言驚人相符，週期律的正確性由此得到了舉世公認。 ^[1] 

1829年，德國德貝賴納在研究元素的原子量與化學性質的關係時，發現有幾個相似的元素組：①鋰、鈉、鉀。②鈣、鍶、鋇。③氯、溴、碘。④硫、硒、碲。⑤錳、鉻、鐵。同組元素的性質相似，中間元素的化學性質介於前後兩個元素之間，它的原子量也差不多是前後兩個元素的平均值。1862年，法國尚古多提出元素性質有周期性重複出現的規律，他創造了一種螺旋圖，將62個元素按原子量大小循序標記在繞着圓柱體上升的螺線上，可以清楚地看出某些性質相近的元素都出現在同一條母線上。1864年，英國W.奧德林發表了一張比較詳細的週期表，表中的元素基本上按原子量遞增的順序排列，體現了元素性質隨原子量遞增會出現週期性的變化。他還在表中留下空位，認識到它們是尚未被發現但性質與同一橫列元素相似的元素。1865年，英國J.A.R.紐蘭茲把當時已發現的元素按原子量大小順序排列，發現從任意一個元素算起，每到第八個元素，就和第一個元素的性質相似，他把這個規律稱為八音律。對元素週期律的發展貢獻最大的當推俄國D.I.門捷列夫和德國J.L.邁爾。門捷列夫曾經收集了許多元素性質的數據，並加以整理，在這一過程中，他緊緊抓住元素的基本特徵——原子量，探索原子量與元素性質的關係。他發現，如果把所有當時已知的元素按照原子量遞增的順序排列起來，經過一定的間隔，元素的性質會呈現明顯的週期性。1869年，他發表了第一張元素週期表，同年3月，他委託N.A.緬舒特金在俄羅斯化學會上宣讀了論文“元素屬性和原子量的關係”，闡述了週期律的基本要點： ^[2] 

①將元素按照原子量大小順序排列起來，在性質上呈現明顯的週期性。

②原子量的大小決定元素的特性。

③應該預料到許多未知元素的被發現。

④當知道了某元素的同類元素後，有時可以修正該元素的原子量。

在這張週期表中，有4個位置只標出原子，在應該寫元素符號的地方卻打了一個問號。這是因為門捷列夫在設計週期表時，當他按原子量遞增的順序將元素排列到鈣（原子量為40）時，在當時已知的元素中，原子量比40大的元素是鈦（原子量為50），這樣，鈣後面的一個元素似乎是鈦。但是，門捷列夫發現，如果照這樣的次序排列，鈦就和鋁屬於同一族，實際上鈦的性質並不與鋁相似，而與鋁的後面一個元素硅相似，因此他斷定鈦應該與硅屬於同一族，在鈣與鈦之間應該存在着一個元素，雖然這個元素尚未被發現，但應該為它留出空位。根據同樣理由，他認為在鋅與砷、鋇與鉭之間也應留下空位，因此他預言了原子量為45、68、70的3種未知元素的性質，並命名為類硼、類鋁、類硅。後來，這3種元素先後被發現，1875年布瓦博德朗發現的鎵即類鋁，1879年L.F.尼爾松發現的鈧即類硼，1886年C.温克勒爾發現的鍺即類硅。這3種新發現的元素的性質與門捷列夫的預言很吻合， 證明了週期律的正確性。1870年邁爾發表了一張元素週期表，指出元素的性質是原子量的函數，他所依據的事實偏重元素的物理性質。他對於族的劃分也比門捷列夫的週期表更加完善，例如將汞與鎘、鉛與錫、硼與鋁列為同族元素。

結合元素週期表，元素週期律可以表述為：元素的性質隨着原子序數的遞增而呈週期性的遞變規律。

同一週期（稀有氣體除外），從左到右，隨着原子序數的遞增，元素原子的半徑遞減；

同一族中，從上到下，隨着原子序數的遞增，元素原子半徑遞增。

總説為：左下方>右上方

由於陰離子是電子最外層得到了電子而陽離子是失去了電子

所以，同種元素：陽離子半徑<原子半徑<陰離子半徑

同週期內，陽離子半徑逐漸減小，陰離子半徑逐漸減小；

同主族內離子半徑逐漸增大。

或者一句話總結，對於具有相同核外電子排布的離子，原子序數越大，其離子半徑越小。（不適合用於稀有氣體） ^[3] 

同一週期中，從左到右，隨着原子序數的遞增，元素的最高正化合價遞增（從+1價到+7價），第一週期除外，第二週期的O、F（O無最高正價，F無正價，OF₂除外）元素除外；

最低負化合價遞增（從－4價到－1價）第一週期除外，由於金屬元素一般無負化合價，故從ⅣA族開始。

元素最高價的絕對值與最低價的絕對值的和為8，代數和為0，2，4，6的偶數之一（僅限除O，F的非金屬）

同一週期中，從左到右，隨着原子序數的遞增，元素的金屬性遞減，非金屬性遞增；

a.單質氧化性越強，還原性越弱，對應簡單陰離子的還原性越弱，簡單陽離子的氧化性越強；

b.單質與氫氣越容易反應，反應越劇烈，其氫化物越穩定；

c.最高價氧化物對應水化物（含氧酸）酸性越強。

同一族中，從上到下，隨着原子序數的遞增，元素的金屬性遞增，非金屬性遞減；

a.單質還原性越強，氧化性越弱，對應簡單陰離子的還原性越強，簡單陽離子的氧化性越弱；

b.單質與水或酸越容易反應，反應越劇烈，單質與氫氣越不容易反應；

c.最高價氧化物對應水化物（氫氧化物）鹼性越強。

為了達到穩定狀態，不同的原子選擇不同的方式。同一週期元素中，軌道越“空”的元素越容易失去電子，軌道越“滿”的越容易得電子。隨着從左到右價層軌道由空到滿的逐漸變化，元素也由主要顯金屬性向主要顯非金屬性逐漸變化。

隨同一族元素中，由於週期越高，電子層數越多，原子半徑越大，對核外電子的吸引力減弱，越容易失去，因此排在下面的元素一般比上面的元素金屬性更強。 ^[3] 

元素週期律是自然科學的基本規律，也是無機化學的基礎。各種元素形成有周期性規律的體現，成為元素週期律，元素週期表則是元素週期律的表現形式。

元素週期表是學習和研究化學的一種重要工具．元素週期表是元素週期律的具體表現形式，它反映了元素之間的內在聯繫，是對元素的一種很好的自然分類．我們可以利用元素的性質、它在週期表中的位置和它的原子結構三者之間的密切關係來指導我們對化學的學習研究。

過去，門捷列夫曾用元素週期律來預言未知元素並獲得了證實。此後，人們在元素週期律和週期表的指導下，對元素的性質進行了系統的研究，對物質結構理論的發展起了一定的推動作用。不僅如此，元素週期律和週期表為新元素的發現及預測它們的原子結構和性質提供了線索。

元素週期律和週期表對於工農業生產也有一定的指導作用。由於在週期表中位置靠近的元素性質相近，這樣就啓發了人們在週期表中一定的區域內尋找新的物質。

元素週期律的重要意義，還在於它從自然科學方面有力地論證了事物變化中量變引起質變的規律性。

元素週期律和週期表，揭示了元素之間的內在聯繫，反映了元素性質與它的原子結構的關係，在哲學、自然科學、生產實踐各方面，都有重要意義。

(1)在哲學方面，元素週期律揭示了元素原子核電荷數遞增引起元素性質發生週期性變化的事實，從自然科學上有力地論證了事物變化的量變引起質變的規律性。元素週期 表是週期律的具體表現形式，它把元素納入一個系統內，反映了元素間的內在聯繫，打破了曾經認為元素是互相孤立的形而上學觀點。通過元素週期律和週期表的學 習，可以加深對物質世界對立統一規律的認識。

(2)在自然科學方面，週期表為發展物質結構理論提供了客觀依據。原子的電子層結構與元素週期表有密切關係，週期表為發展過渡元素結構，鑭系和錒繫結構理論，甚至 為指導新元素的合成，預測新元素的結構和性質都提供了線索。元素週期律和週期表在自然科學的許多部門，首先是化學、物理學、生物學、地球化學等方面，都是重要的工具。

由於在週期表中位置靠近的元素性質相似，這就啓發人們在週期表中一定的區域內尋找新的物質。

①農藥多數是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。

②半導體材料都是週期表裏金屬與非金屬交界處的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。

③催化劑的選擇：人們在長期的生產實踐中，已發現過渡元素對許多化學反應有良好的催化性能。進一步研究發現，這些元素的催化性能跟它們的原子的d軌道沒有充滿有密切關係。於是，人們努力在過渡元素（包括稀土元素）中尋找各種優良催化劑。

④耐高温、耐腐蝕的特種合金材料的製取：在週期表裏從ⅢB到ⅥB的過渡元素，如鈦、鉭、鉬、鎢、鉻，具有耐高温、耐腐蝕等特點。它們是製作特種合金的優良材料，是製造火箭、導彈、航天飛機、飛機、坦克等的不可缺少的金屬。

⑤礦物的尋找：地球上化學元素的分佈跟它們在元素週期表裏的位置有密切的聯繫。科學實驗發現如下規律：原子量較小的元素在地殼中含量較多，原子量較大的元素在地 殼中含量較少；原子序數為偶數的元素較多，原子序數為奇數的元素較少。處於地球表面的元素多數呈現高價，處於岩石深處的元素多數呈現低價；鹼金屬一般是強烈的親石元素，主要富集於岩石圈的最上部；熔點、離子半徑、電負性大小相近的元素往往共生在一起，同處於一種礦石中。在岩漿演化過程中，電負性小的、離子半徑較小的、熔點較高的元素和化合物往往首先析出，進入晶格，分佈在地殼的外表面。

有的科學家把週期表中性質相似的元素分為十個區域，並認為同一區域的元素往往是伴生礦，這對探礦具有指導意義。

元素呈現種種物理性質上的週期性，例如隨着元素原子序數的遞增，原子體積呈現明顯的週期性，在化學性質方面，元素的化合價、電負性、金屬和非金屬的活潑性，氧化物和氫氧化物酸鹼性的變遷，金屬性和非金屬性的變遷也都具有明顯的週期規律。具體為：同一週期，核外電子層數相同；同一主族，最外層電子數相同，其化學性質相似。 ^[4]  在同一週期中，這些性質都發生逐漸的變化，到了下一週期，又重複上一週期同族元素的性質。

週期律在使化學知識特別是無機化學知識的系統化上起了重要作用，對於研究無機化合物的分類、性質、結構及其反應方面起了指導作用。週期律在指導原子核的研究上也有深刻的影響，放射性的位移定律就是以週期律為依據的，原子核的種種人工蜕變也都是按照元素在週期表中的位置來實現的。20世紀以後，新元素的不斷髮現，填充了週期表中的空位，科學家在週期律指導下，還合成了超鈾元素，並發展了錒系理論。在原子結構的研究上，也獲得了殼層結構的週期規律。

還用於在過渡元素（包括稀土元素）中尋找各種優良催化劑。例如，人們已能用鐵、鎳熔劑作催化劑，使石墨在高温和高壓下轉化為金剛石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反應，廣泛採用過渡元素作催化劑，特別發現少量稀土元素能大大改善催化劑的性能。在金屬與非金屬分界線附近尋找半導體材料，如：鎵Ga，硅Si，硒Se等。在過渡元素中尋找耐高温、耐腐蝕的合金材料，如用於制火箭和飛機的鈦Ti，鉬Mo等元素。 ^[3]