化學元素

化學元素（Chemical element）簡稱元素（element）。元素是所有物質的最基本組成要素，是由不能再被化學反應分解的微觀粒子原子組成。元素在其周期表中位置的順序號數，稱為原子序數，它代表原子核電荷數，即核中的質子數，等于核外電子數。同一種化學元素是由質子數相同的同一類原子的總稱。由于原子序數反映了原子內部結構，因此，元素的一切性質都與原子序數有關。元素的原子量、放射性及存在豐度等都是由原子核決定的性質，可直接由原子序數推知。

早在人類文明的初期，人類觀察到自然界中形態各異的許多物質，就把性質相同的實物材料視為同一種物質，認為它們含有某種（或某些）相同的成分，并逐步發展到把某些實物或性質當作元素來說明萬物的組成，如古代中國的金、木、水、火、土五行說；古代印度的地、水、火、風說等。古希臘亞里士多德則提出水、火、土、氣四元素說，認為各種元素是由“干、濕、冷、熱”四種“原性”兩兩組成。但是，也有人認為構成世界的本源是數，或者是理念、道、氣、陰陽等，把世界的本源歸結為抽象的東西。例如，畢達哥拉斯就認為數是構成世界的本源。

到17世紀，英國科學家R.波義耳在一系列實驗基礎上作出總結，在1661年為化學元素做出了科學而明確的定義：“它們應當是某種不由任何其他物質所構成的或是互相構成的、原始的和最簡單的物質”，“應該是一些具有確定性質的、實在的、可察覺到的實物，用一般化學方法不能再分解為更簡單的某些實物。”這個定義為使化學逐步成為一門真正的科學做出了重要的貢獻。他根據氣體的可壓縮性和物質的溶解和揮發性，發展了物質的微粒學說，并提出了火的微粒說，認為金屬煅燒后重量加重是由于金屬和火微粒的結合。

17世紀末，德國化學家貝歇爾在著作《土質物理》中對燃燒作用有很多的論述。他認為燃燒是一種分解作用，動、植物和礦物燃燒后，留下成分更簡單的物質。因此，按照他的理論，不能分解的物質是單質，不會燃燒。關于物質的結構，他略微修改了醫藥化學家的“硫、汞、鹽”三元素學說，認為各種物質都是由3種基本“土質”組成的，不同物質是由于這3種“土質”的成分不同造成的。他認為物體燃燒就是放出其中“油土”的成分。貝歇爾所說的“油土”的成分，即相當于以后的“燃素”。

1703年，貝歇爾的學生德國化學家G.E.施塔爾總結了燃燒中的各種現象及各家觀點之后，發表了《化學基礎》一書，系統地闡述了“燃素學說”。他認為一切可燃的物質中都含有一種氣態的要素，即所謂燃素，它在燃燒過程中從可燃物中飛散出來，與空氣結合，從而發光發熱。

1772-1785年間，被譽為“近代化學之父”的法國化學家A.L.拉瓦錫在科學實驗的基礎上xxx次提出了“元素”的概念，并以氧和氫為例，稱它們不可能通過化學方法分解為更小的成分。他發展了波義耳的元素定義，并確認了氮、氫、氧為元素。1789年，拉瓦錫在其著作《化學概要》中列出了xxx張元素表，并把元素分為簡單物質、金屬物質、非金屬物質和成鹽土質四大類。

19世紀初，道爾頓在對氣體擴散和氣體混合現象進行研究的基礎上，提出了原子理論，進而又把原子概念與化學分解和化合現象結合起來建立了化學原子論，從理論上成功地解釋了反映組成化合物的元素之間定量關系的一系列規律。道爾頓認為，相同元素的原子相同，不同元素的原子不同，有多少種元素，就有多少種原子。他把元素和原子聯系在一起，最終建立基于原子理論的元素觀念（“元素是相同原子的總稱”）。1860年，康尼查羅確立了科學的分子概念，闡明了原子理論和分子理論，使道爾頓的原子概念得以真正確立，原子論的化學元素觀念被普遍接受。

古代，人們通過感性直觀的方法，即憑著經驗，用肉眼觀察物質及其變化，認識物質的性質而發現了一些元素。如通過燃燒認識碳、硫；通過冶煉和工具的使用認識金、銀、銅、鐵、錫、鉛、鋅；通過煉金煉丹發現汞、磷、砷、銻、鉍等。

18世紀，隨著化學工業的迅速發展，在化學成為一門以實驗為基礎的科學后，人們接連發現了氫、氮、鈦、鉻、鉑、碲、鎢、鈾、錳、氯、鈷等元素。

19世紀初，人們發明了電解的方法，用這一新技術發現了一系列較活潑的金屬，鈉、鉀、鎂、鍶、鋇，并用鈉、鉀等活潑金屬去還原非金屬化合物，發現了新的硼和硅。隨著化學分析技術的提高，特別是光譜分析的發明，科學家又繼續發現了鎘、鑭、銦、鋱、鉺、鐿、鉈、鏑、硒、釕等元素，其中大部分是地球上比較稀少的元素。

19世紀末，人們在對空氣的研究中，接連發現了六種新的稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙、氡。這六種氣體的化學性質都很不活潑，稱作惰性氣體。

到20世紀，隨著生產的發展，人們又發現了幾種較難于被發現的新元素，這些元素在地球上都很稀少。在1917年，人們發現了鏷；1925年發現了錸；1944年發現了钷。

隨著原子能工業的發展，人們開始制造人造元素。20世紀中期，人們分別制得了93號至105號的大多數元素，如镎、钚、镅、鋦等。到2016年，國際純粹與應用化學聯合會宣布，由俄羅斯、美國和日本科學家制成的4種人造化學元素，獲得承認，進入元素周期表，即第113號（Nn）、115號（Mc）、117號（Ts）和118號（Og）。科學家們還在繼續制造人造化學元素。

元素符號的萌芽可追溯到中古時期的煉金時期，為了保密，他們往往用一些隱語表示某一物質，如：“姹女”“黃芽”“圣水”等，也有用一些圖畫符號來表示元素或化合物的，這是最早的元素符號。

隨著越來越多的物質出現，化學條理化和系統化的需求出現，1787年，拉瓦錫與貝托雷等合作組成了“巴黎科學院命名委員會”，建議每種物質必須有固定的名稱，且元素的名稱必須盡可能反映出它們的特性和特征。化合物的名稱必須能反映它們所含的元素、表示其組成。如酸類和堿類用所含的元素來命名，磷酸、硫酸、鉀堿、鈉堿等。拉瓦錫成為xxx個為元素進行分類的人。

1808年，道爾頓依據他的原子論，認為簡單原子都是不可分的實心球體，于是設計用圓圈及其變體表示元素，用元素符號的組合表示復雜原子（化合物）的組成。

1813年，貝采里烏斯認識到道爾頓元素符號和化學式的合理之處，也看到它的缺點。因此建議采用以每種元素的拉丁文名稱的開頭字母，大寫作為元素符號。如果xxx個字母相同，那就再取其第二個字母，小寫以示區別，如Si-silicium。他還建議化合物的化學式用元素符號表示，每一個元素符號在化學式中各代表一個原子，如二氧化碳記作CO₂。貝采里烏斯的化學符號簡單明了，元素符號一直沿用至今。但當時由于人們對原子、分子認識的混亂，并沒有被廣泛接受。直到1860年卡爾斯魯厄會議貝采里烏斯的化學符號系統被化學界采用。

從中國古代的五行說、古希臘的四元素說開始，人們一直對世界萬物的構成物質或元素的分類及它們之間的關系進行探索。拉瓦錫在對元素進行定義后列了一張元素表，把元素分為四類：氣體元素、金屬元素、非金屬元素、能成鹽的土質元素。但是他把光和熱也作為元素并歸入氣體元素，把石灰和氧化鎂歸為土質元素。后來人們又依元素性質而分族，例如把鹵素歸于造鹽元素族，把金、銀等不易被空氣腐蝕的元素稱為貴金屬。

德國耶拿大學化學教授德貝萊納首先注意到堿金屬、堿土金屬在化學性質上十分相似，似乎存在一種族的特征。經過研究，在當時已知的54種元素中，他發現幾個化學性質相似的元素組，每組包括三種元素：鋰、鈉、鉀；鈣、鍶、鋇；氯、溴、碘；硫、硒、碲；錳、鉻、鐵。每組元素中，中間那個元素的原子量恰好為前后二種元素原子量的算術平均值。1829年他把上述元素的這種關系稱為三元素組。

尚古多在1862年提出了元素性質有周期性重復的規律。為說明這一規律，他將元素按原子量大小循序記在一個圓周線分成十六份的圓柱體的螺旋線上，那些性質相似的元素排列在同一垂直線上，從而顯示其變化的周期性。

奧德林在1865年排出了以原子量大小為序的新元素表，在橫排上出現一些性質相似的元素組，說明元素性質隨原子量遞增而呈現周期性。他初步排列出元素周期表中的鹵族、氧族、氮族等。

1866年，紐蘭茲發表了論文《八音律與原子量數字關系的起因》。在文中他按原子量大小給元素編上序號，依次排出了一個元素表，把62種元素排列成類似于音樂樂譜中八音階的排列圖式，來表示元素性質隨原子量大小順序的變化周期性。

到1869年，在63種已知元素中，42種元素有了較精確的原子量。在總結前人工作的經驗教訓基礎上，門捷列夫全面考慮了元素的各種性質，制作了63張卡片，把各個元素的名稱、原子量、氧化物及物理、化學性質都分別寫在各自的卡片上，根據元素的原子量，且考慮元素性質之間的聯系進行排列。1869年2月，門捷列夫按原子量遞增的順序把63種元素排成幾列，同時把各列中性質相似的元素左右對齊，當按原子量順序安排的位置與元素的特征發生沖突時，他遵從元素的特征而掉換位置，或者留下空位，這樣整個元素系列呈現出周期性變化。根據這一研究，他撰寫了論文《根據元素的原子量和化學性質相似性的元素系統的嘗試》寄給了俄國和歐洲的一些同行，在文中提出了化學元素周期律。在同年3月召開的俄羅斯化學協會的會議上，門捷列夫因病無法到會，于是委托朋友在會上宣讀他的論文《元素性質與原子量的關系》，再次陳述了化學元素周期律，同時公布了他的xxx張化學元素周期表。

同時，1868年德國化學家邁爾所繪制的“原子體積周期性圖解”，揭示出化學元素的原子量和原子體積間關系。1869年10月，邁爾修改了他于1864年和1868年發表的元素體積，同時制作了一張化學元素周期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來排列元素，還留下一些空格表示未知元素。雖然邁爾的研究測重于元素的物理性質，但是已明確指出元素性質是它們原子量的函數。

隨后，門捷列夫汲取了邁爾周期表的長處，對周期表繼續進行深入研究，于1871年重新制定出新的周期表，這個新表在許多方面都超過了邁爾的工作。其內容可概括為：元素按照原子量的大小排列，呈現出明顯的性質上的周期性；原子量的大小決定元素的性質，性質相似元素的原子量或者大致相同，或者呈有規律的遞增；元素原子量可以根據元素位置來修正，還可以預知一些未發現的元素。

門捷列夫

在已命名的一百多種元素中，元素名稱的由來多種多樣。大多數元素的名稱都有一定的含意：有的是為了紀念某位科學家或元素發現的地點或國家，有的是表示元素的某一特征，還有的與星球，甚至神話傳說有關。由于古希臘、古羅馬是世界文明的重要發源地，所以很多元素的英文名稱都來源于希臘文或拉丁文。

與人名、地名、國名有關：與人名有關的元素很多，例如einsteinium（Es，锿）、fermium（Fm，鐨）等。這些詞的詞干都取自于著名科學家的姓氏，如A Einstein（愛因斯坦）、E.Fermi（費米）等，為了紀念他們。用來命名元素的地名，有的是礦石產地，有的是發現者的出生地或工作地，如copper（Cu，銅），出自Cuprum（拉丁文，塞浦路斯，向羅馬供應金屬銅的島嶼）。用國名命名的元素，如germaniun（Ge，鍺）是用來紀念元素發現者的祖國德國（拉丁文Germania）的。

與物質的性質、存在或來源有關：元素的英文名也可能與元素的存在或來源礦石有關。例如，hydrogen（H，氫）、nitrogen（N，氮）等分別由希臘文的hydro（水）、nitre（硝石）與gen組合而來，表示它們分別是水之源、硝之源等。carbon（C，碳）、calcium（Ca，鈣）分別由拉丁文carbo、calx派生而來，意為木炭、石灰等。元素名稱還可與物質的性質有關，包括與顏色有關，例如chlorine（Cl，氯）、iodine（I，碘）分別取自希臘文chloros（黃綠色）、iodes（紫色）。與氣味有關，如bromine（Br，溴）取自希臘文bromos（惡臭）。與磁性有關，如manganese（Mn，錳）取自拉丁文中的magnes（磁）。與放射性有關，如radium（Ra，鐳）取自拉丁文radius（射線）。與化學性質有關，如phosphorus（P，磷）取自希臘文 phosphorous（光的攜帶者）。

與星體、神話有關：元素的命名甚至還與星體、神話有關，如uranium（U，鈾）、neptunium（Np，镎）、plutonium（Pu，钚）分別出自天王星（Uranus）、海王星（Neptune）和冥王星（Pluto），因為這3種元素在周期表中的位置如同太陽系中的天王星、海王星和冥王星一樣，相互緊挨著。以希臘神話中的英雄和神靈來命名的，如promethium（Pm，钷）來自希臘神話中從天上偷取火種獻給人類的英雄普羅米修斯（Prometheus），比喻從原子反應堆產物里得到的钷，標志著人類進入原子時代。

對于新元素的命名，是根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）制定的非常嚴格的命名規則，新化學元素所選擇的名字往往是為了紀念一個地點或者一個人。比如，第113號元素被命名為Nh，是日語中“日本”（Nihon）的縮寫；第115號元素Mc的名字來源于莫斯科（Moscow）；第117號元素Ts的名字來源于田納西州（Tennessine），也就是著名的橡樹嶺國家實驗室所在地。

元素名稱中詞尾所表示的意義：以-gen結尾的詞，大多表示氣態非金屬元素，例如H（hydrogen）、O（oxygen）等；以-on結尾的詞，大多表示固態非金屬或惰性氣體元素，例如B（boron）、C（carbon）等；以-ine結尾的詞，大多表示鹵素元素，例如 F（fluorine）、CI（chlorine）等；以-ium或-um結尾的詞，大多表示金屬元素，例如Li（lithium）、Na（sodium）等。

化學元素除了一部分是舊有漢字外，許多是新創字，一般以諧聲為主，會意次之。化學元素的名詞采用一個字。其中金屬元素中除汞是液體，其余是固體，它們的名詞用“金”旁。例如：銅、銀、金、汞為舊有名詞，新創名詞有鈉、鉀、鈣、鋁等。非金屬元素中有的是氣體，它們的名詞用“氣”頭。有的是液體，用“氵”旁。有的是固體，它們的名詞用“石”旁。例如：舊有名詞有硫，新創名詞包括碳、磷等。

元素命名在特殊情況下，不得不造字時，須十分謹慎。如新元素的命名，須經過廣泛的討論和深入的研究，向國家語委進行申報，使之納入規范用字。

以新元素命名來說，選字或者造字時需要注意：能不造字就不造字，盡量選用已有的字，不得不造時，依據有關原則和方法造新字；選用漢字應遵循有關規范，或起用舊字，或類推簡化；造字應遵循漢字規律；選字或造字要符合以形聲字為主體的漢字書寫特點，以體現元素的性質，發音靠近國際命名；選字或造字避免與以前的元素名稱同音，避免用多音字；為了避免歧義，選用漢字應盡量避開生活常用字和其他行業專用字；選字或造字xxx是繁簡無差別的字，以利于海峽兩岸和漢語文化圈科技名詞的統一，如果被造字是繁體字，應類推簡化。

1860年，在德國卡爾斯盧召開的xxx次化學家國際會議上，各國化學家共同制訂了世界統一的化學符號。這些符號，一直沿用到至今。卡爾斯盧會議決議規定，化學元素的符號，用該元素的拉丁文開頭字母大寫表示，有的化學元素的拉丁文開頭字母相同時，就在開頭字母后邊以小寫寫上該元素拉丁文名稱的第二個字母，以示區別。還有的元素的拉丁文名稱的xxx、第二個字母均相同時，卡爾斯盧決議規定，就用該元素拉丁文名稱的第三個字母作小寫字母。這種方法稱為“一大二小的原則”。

化學元素是構成萬物的基本單元。元素可分為金屬元素和非金屬元素兩大類，其分界線為從ⅢA 族的B（硼）到ⅥA族的Te（碲）的臺階形對角線，可將其稱為金屬分界線。臺階形對角線左側的元素（除氫外）為金屬元素；臺階形對角線右側的元素（加上氫）為非金屬元素。

金屬與非金屬分界線

金屬是金屬元素組成的一類物質。常將金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類，黑色金屬為鐵、鉻、錳三種金屬，其余金屬為有色金屬。根據有色金屬的密度、儲量發現和應用時間及其價值等因素，將有色金屬分為五類：重有色金屬、輕有色金屬、稀有金屬、貴金屬和半金屬。

此外，元素又可分為普通元素和稀有元素。其中，稀有元素一般指自然界中含量少或分布稀散，或是被人們發現得較晚，或是難從礦物中提取的，或在工業上制備和應用較晚的元素。而普通元素主要是指元素周期表中前四周期的除Li、Be和稀有氣體元素以外的元素。

根據元素的生物效應，化學元素還可以分為具有生物活性的生命元素和非生命元素。在生命體內，已經發現了60多種與生命有關的元素，這些元素在生命體內含量千差萬別，其作用各不一樣。現代生物學和醫學研究認為，這些元素按照其生物效應的不同，又可分為必需元素、有毒元素、有益元素和不確定元素四類。

在宇宙的起源演化中，各種核素是從基本粒子經不同系列的核反應過程逐次生成的。按發生時間的先后順序大致可分為大爆炸核合成、恒星核合成、爆發性核合成三個主要階段，以及宇宙線散裂反應核合成。

宇宙中的元素起源的過程：宇宙大爆炸后生成了最輕的元素氫、氦以及微量的較重元素；恒星內部的核燃燒可以生成氦以及從碳到鐵的多種元素；鋰、鈹、硼生成于宇宙線高能粒子與星際物質的散裂反應；比鐵重的元素生成于小到中等質量恒星內的s過程，以及大質量恒星內的r過程和rp過程。

大部分氫云收縮形成恒星時，少量的氫云因萬有引力而聚集，同時受到超新星爆發時拋射出來的重元素塵埃的污染。當這些被污染的氫云開始聚集成行星時，元素就會開始分離，重元素由于引力大，先聚集在中心，輕元素由于引力小，反而逃脫而四散，不會產生高溫，因此原子就有機會形成分子，分子又聚集成固體和液體，表面則附有薄薄的一層氣體，形成地球。

元素在地殼中的含量稱為豐度，通常以質量分數或原子分數值表示。地球上分布最廣的10種元素如下表所示。由表可見，以上10種元素約占地殼中原子總數的99%，其余所有元素的含量累計不超過1%。除了地殼，海水和大氣也蘊含大量元素。

地球上分布最廣的10種元素質量分數

原子是組成單質和化合物分子的最小微粒，也是元素的最小物質單位。在化學反應里，分子可分成原子，而原子卻不能再分為更微小的粒子。

原子是由位于原子中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成的。其中，原子核是由中子和質子兩種微粒構成的，中子呈電中性，每個質子帶1個單位正電荷。因此，原子核所帶的正電荷數（簡稱“核電荷數”）就是核內質子的數目。

原子序數是元素在元素周期表中的序號，標注在元素周期表中元素原子符號的上方，數值上等于原子核的質子數或中性原子的核外電子數。每種元素均與一定的原子序數相對應，如鐵的原子序數為26，其原子核有26個質子，核外有26個電子。

相對原子質量簡稱原子量。國際原子量與同位素豐度委員會1979年給“原子量”下的定義是：一種元素的相對原子質量是該元素1摩爾質量對核素₆C的1摩爾質量1/12的比值。

由于1 mol任何元素都含有相同的原子數，因此，相對原子質量也就是一種元素的一個原子的平均質量對核素₆C一個原子的質量的1/12之比。由于很多元素都有同位素，因此，原子的平均質量是對一種元素的多種天然同位素來說的，它取決于天然同位素的數目及質量，也取決于它們在自然界中的豐度大小。相對原子質量用符號Ar(E)表示，A代表原子質量，r表示相對，E代表某元素。例如:Ar(CI)=35.453表示元素氯的相對原子質量為35.453。

同位素是指原子序數（核內質子數）相同，但質量數不同（中子數不同）的一類核素。因其原子序數相同，在元素周期表中占據同一位置而得名。同一種元素的所有組成核素相互為同位素，非特指情況下，同位素是該元素代表性穩定元素外的其他同類核素的總稱。其中部分核素不穩定，稱為放射性同位素。

同素異形體是指由同種元素組成但性質不同的單質。例如氧與臭氧、黃磷與紅磷等。有三種形成方式：組成分子的原子數目不同，如O₂與 O₃；晶格中原子排列方式不同，如金剛石與石墨；晶格中分子排列方式不同，如斜方晶硫和單斜晶硫。這種現象稱為同素異形現象。

原子半徑一般是指形成共價鍵或金屬鍵時原子間接觸所顯示的半徑。原子半徑分為三種：同種元素以共價單鍵結合，其核間距的一半稱為共價半徑；在金屬晶體中相鄰的兩個原子核間距的一半，叫該原子的金屬半徑；在分子晶體中，相鄰兩個原子核間距的一半，叫該原子的范德華半徑。

共價半徑和金屬半徑

元素周期表有7個橫行，也就是7個周期。具有相同的電子層數而又按照原子序數遞增順序排列的一系列元素，稱為一個周期。周期的序數就是該周期元素原子具有的電子層數。每一周期都是從堿金屬開始，以稀有氣體元素結束，呈現周期性變化。

各周期元素的數目不一定相同。xxx周期里只有2種元素，第二、三周期里各有8種元素。xxx、二、三周期都屬于短周期。第四、五周期里各有18種元素，第六周期里有32種元素。第四、五、六周期屬于長周期。第七周期也已全部填滿。

從第六周期中的57號元素到71號元素，共15種元素，它們的電子層結構和性質非常相似，總稱鑭系元素。第七周期中也有一組類似的錒系元素。為了使周期表的結構緊湊，將它們按原子序數遞增順序分列兩行排在周期表的下方。

周期表有18個縱行，除第八、九、十3個縱行統稱為Ⅷ族元素外，其余15個縱行，每個縱行標作一族，共16個族。族有主族和副族之分。由短周期元素和長周期元素共同構成的族，稱為主族，用ⅠA、ⅡA、ⅢA等表示；完全由長周期元素構成的族，稱為副族，用ⅠB、ⅡB、ⅢB表示。稀有氣體元素的化學性質很不活潑，在通常狀況下難以與其他物質發生化學反應，把它們的化合價看作為0，因而第18縱行稱為0族。

元素周期表的中部從ⅢB族到ⅡB族10個縱行，包括了全部副族元素，共60多種元素，統稱為過渡元素。這些元素都是金屬，所以又把它們稱為過渡金屬。

根據原子的電子層結構的特征，可以把周期表中的元素所在的位置分為五個區：s區元素包括ⅠA、ⅡA族元素；p區元素從第ⅢA族到第0族元素；d區元素從第ⅢB族到第Ⅷ族元素；ds區元素包括第ⅠB、ⅡB族；f區元素包括鑭系和錒系元素。

元素的性質決定于原子的結構。由于原子的電子層結構呈現周期性變化，因此元素原子的一些基本性質，如原子半徑、電離能、電子親合能、電負性等也隨之呈現明顯的周期性遞變規律。

原子半徑的大小主要決定于原子的有效核電荷和核外電子層數。

在元素周期表中，同周期元素的原子半徑，短周期元素的原子半徑隨著原子序數的增加而逐漸減小。這是因為同周期元素電子層數相同，隨著原子序數的增加，核電荷和有效核電荷逐漸增加，核對電子的吸引力逐漸增大，因而半徑是逐漸減小的。每一周期末尾的稀有氣體原子半徑都特別大，這是由于稀有氣體原子并沒有形成化學鍵，其原子半徑不是共價半徑，而是范德華半徑。

長周期的原子半徑隨著原子序數的增加而減小緩慢，到了ds區，原子半徑反而略為增大，但隨即又逐漸減小。這是因為在長周期的過渡元素的原子中，有效核電荷增大不多，因而原子半徑減小緩慢。但到了長周期的后半部，即ⅠB開始，由于次外層電子全充滿，增加的電子要填充在最外層，半徑略為增大。當電子繼續填入最外層時，因有效核電荷的增加，原子半徑又逐漸減小。

鑭系元素從左到右原子半徑大體是逐漸減小的，且減小的幅度更小。這是因為增加的電子要填入倒數第三層(n-2)f軌道上，由于f電子對外層電子的屏蔽作用更大，使得有效核電荷增加得更小，因此半徑減小得幅度更加緩慢。鑭系元素整個系列原子半徑縮小不明顯的現象稱為鑭系收縮。

同主族元素的原子半徑從上而下一般是增大的。這是因為從上而下電子層數是增加的，盡管核電荷也是增加的，但由于內層電子對外層電子的屏蔽作用，有效核電荷增加使半徑縮小的作用不如因電子層增加而使半徑增大所起的作用大，故總的結果就是原子半徑由上至下加大。

同一副族元素，由上至下半徑增大的幅度較小，特別是第五周期、第六周期的同族元素原子半徑很相近，這就是鑭系收縮效應造成的。

基態氣體原子失去xxx個電子成為氣態+1價離子時所需的最低能量稱為xxx電離能，用I₁表示；氣態+1價離子失去第二個電子成為氣態+2價離子所需要的能量稱為第二電離能，用I₂表示。依此類推。電離能的數值主要取決于原子有效核電荷數、原子半徑和電子構型。元素的xxx電離能最重要，是衡量元素原子失去電子的能力和元素金屬性的一種尺度。

同一周期中，從左到右隨著原子序數的增加，核電荷數逐漸增加，原子半徑逐淘減小，原子核對外層電子的引力越來越大，元素原子更加不容易失去電子，因此主族元素的xxx電離能從左到右逐漸增大。

但同一周期中，xxx電離能的變化不像原子半徑變化的那樣規律，當元素的價層電子處于全空、半充滿或全充滿狀態時，其穩定性偏高，不容易失去電子，因此其xxx電離能也偏高。而同一周期過渡元素，隨著原子序數的增加，電子填充到屏蔽作用較大的內層，抵消了核電荷增加所產生的影響，因此元素的xxx電離能變化不大。

同一族元素，從上往下原子半徑增大起主要作用，半徑越大，核對電子的引力越小，越易失去電子，電離能越小。

xxx電離能周期性變化

當氣態的基態原子得到一個電子形成-1價氣態負離子時，所放出的能量稱為該元素的xxx電子親和能，用A₁表示。由-1價氣態負離子得到一個電子成為-2價氣態負離子時所放出的能量稱為第二電子親和能，用A₂表示，依此類推。元素的電子親和能越大，表示原子得到電子的傾向越大，其非金屬性也越強。

一般來說，同一周期從左至右，電子親和能基本上呈現增大的趨勢；同一族從上到下，電子親和能呈現減小的趨勢。但每一族開頭的xxx個元素的電子親和能并非為xxx，如第二周期的F、O、N 比第三周期的CI、S、P元素原子的電子親和能要小，這是因為F、O、N的原子半徑特別小，電子云密度大，電子間有強烈的排斥作用，因此要結合一個電子時放出的能量較小，電子親和能小。電子親和能難以直接測定，數據的完整性遠不如電離能重要。

電負性是指元素的原子在分子中吸引成鍵電子能力的相對大小，用符號Χ來表示。電負性大，原子在分子中吸引成鍵電子的能力強，反之就弱。根據電負性的大小，可以衡量元素的金屬性和非金屬性。一般認為Χ>2的元素多為非金屬元素，元素的電負性越大，生成陰離子的傾向越大，非金屬性越強。Χ<2的元素多為金屬元素，電負性越小，元素原子越傾向于失去電子生成陽離子，金屬性越強。

電負性的周期性變化與元素的金屬性、非金屬性的周期性變化基本一致。即同一周期中從左到右元素的電負性依次增大；同族中自上而下元素的電負性逐漸減小（副族元素規律不明顯）。在所有元素中，周期表右上方的F的電負性xxx，其次是 O、CI、N，它們都具有很強的非金屬性。除放射性元素外，周期表左下方的Cs的電負性最小，金屬性xxx。

堿金屬元素包括鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）六種元素，由于它們的氫氧化物都是易溶于水的強堿，所以統稱為堿金屬。堿金屬元素原子的價電子結構為ns，只有一個價電子，在化學反應中很容易失去這個電子而變成穩定的+1價陽離子，因此，堿金屬是典型的活潑金屬。

堿金屬都是銀白色的金屬，具有一般金屬的通性，如有金屬光澤，有延展性、導電性、導熱性等。此外，它們還有三種特性：密度小，是典型的輕金屬；硬度小，能用刀割；熔點、沸點低，其中銫的熔點最低，只有280 K，人體的溫度即可使其熔化。且隨著核電荷數的增加，堿金屬的熔點、沸點、硬度都呈現由高到低的變化，密度則略有增大。

金屬鈉

堿金屬元素由于最外層只有一個電子，在化學反應中很容易失去這個電子而形成+1價的陽離子，因此，堿金屬都具有很強的化學活潑性，能與絕大多數非金屬、水、酸等反應，是很強的還原劑。但是，隨著核電荷數的增大，堿金屬核外的電子層數依次增加，原子半徑依次增大，失去最外層電子的傾向也依次增大，因此，堿金屬的還原性順序為：Li＜Na＜K＜Rb＜Cs＜Fr。

堿金屬元素的原子結構及單質的物理性質

堿土金屬元素包括鈹（Be）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鐳（Ra）六種元素。堿土金屬原子的價電子結構為ns，由于它們的次外層電子都已達到穩定結構，所以在化學反應中容易失去最外層的兩個電子而顯+2價。

金屬鈣

堿土金屬與同周期的堿金屬原子相比多了一個核電荷，原子核對電子的吸引力要強些，因此，其原子半徑要小一些，金屬性比堿金屬弱一些。但從整個周期來看仍是活潑性相當強的金屬元素。隨著原子序數的增大，堿土金屬的電子層依次增加，原子半徑依次增大，化學活潑性依次增強。堿士金屬的主要物理性質為：

堿土金屬元素的原子結構及單質的物理性質

碳族元素位于周期系第ⅣA族，包括碳、硅、鍺、錫、鉛5種元素。在地殼中硅的豐度為27.6%，其含量僅次于氧；碳的豐度為 0.1%，在自然界中，碳和硅的分布都很廣。鍺、錫和鉛的自然分布較為集中，易于提煉，應用廣泛。

鉛

在碳族元素中，碳和硅為非金屬元素，鍺、錫、鉛為金屬元素。但是，硅具有某些金屬性，鍺具有某些非金屬性，這樣的元素稱為準金屬。碳族元素的一般性質：

碳族元素的一般性質

碳族元素的特征價電子構型為nsnp，因此，其特征氧化值為+4、+2，碳也可以有-4氧化值，且該族元素的化合物以共價型為主。位于第二周期的碳在形成化合物時，其配位數xxx為4，而其他元素的配位數可以比4大，因為有nd軌道能參與成鍵，如GeCl₆。硅與第ⅢA族的硼處于對角線位置，它們的單質及化合物的性質較為相似。在碳族元素中，從上到下，氧化值為+4的化合物的穩定性依次降低，這是惰性電子對效應的結果。例如，Pb（Ⅱ）的化合物較為穩定，而 Pb（Ⅳ）的化合物表現出較強的氧化性。

周期表中第ⅢA族，包括硼、鋁、鎵、銦、鉈五種元素，通稱硼族元素。硼以化合物形式存在于自然界，主要存在形式有硼砂、硼鎂等。鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅，占第三位。鎵、鉈是分散的稀有元素，常與其他礦共生。鉈及其化合物都有毒，誤食少量的鉈鹽可使毛發脫落。

金屬鋁

硼族元素的價層電子構型為nsnp，最高氧化值為+3。硼是這族中xxx的非金屬元素，其它都是金屬元素。硼族元素的一些基本性質：

硼族元素的一般性質

在硼族元素中，隨著原子序數的增加，硼族元素的金屬性大體上依次增加。硼族元素原子的價電子層軌道有ns、np_x、np_y、np_z,四個，但提供的價電子只有三個，這種價電子數少于價電子層軌道數的原子，稱為“缺電子原子”。硼以形成氧化值為+3的共價型分子為特征，形成的化合物由于成鍵的電子對數，比稀有氣體電子構型缺少一對電子，被稱為“缺電子化合物”。它們有非常強的接受電子對的能力，因此這種分子能自身聚合以及和電子對給予體形成穩定的配合物等。例如BF₃很容易與具有孤電子對的氨形成配合物。

氮族元素是周期系ⅤA族元素，包括氮、磷、砷、銻、鉍五種元素，其中氮、磷為非金屬元素，砷和銻屬準金屬或半金屬元素，鉍則是典型的金屬元素。氮主要以單質狀態存在于空氣中。磷在空氣中極易被氧化，在自然界均為化合態，主要以磷酸鹽形式存在。砷、銻、鉍有時以單質存在，但主要以硫化物礦存在于自然界。

氮族元素原子的價電子層結構為nsnp，因此可呈現從-3到+5的多種氧化值，其中主要的是-3、+3、+5。當與電負性比它們小的元素（如Li、Mg、Ca等）結合時，可形成氧化值為-3的化合物，與電負性比它們大的元素（如 Cl、O 等）結合時，可形成氧化值為+3或+5的化合物。

砷、銻、鉍三個元素原子的電子層結構中分別包含了d和f亞層，又因第六周期鑭系收縮的結果，使這三個元素間性質遞變緩慢，以至這些元素及其化合物性質比較相近。

氮族元素的一般性質

氧族包括氧、硫、硒、碲和釙5種元素，位于周期系第ⅥA族。前四個元素是非金屬元素，釙是放射性金屬元素。氧族元素的一些基本性質如下：

氧族元素的一般性質

氧族元素的價電子層構型為nsnp，有較強的獲得電子的趨勢，因此，常見的氧化值為-2、0、+2、+4、+6。氧是本族元素中電負性xxx、原子半徑最小、電離能xxx的元素，所以，只在與氟化合時，其氧化值為正值，在其他的化合物中氧的氧化值均為負值。

周期表中的ⅦA族元素，包括氟、氯、溴、碘和砹等五種元素，通稱為鹵族元素。鹵素一詞的希臘原文的意思為“成鹽元素”，它們都能直接和金屬化合生成鹽類。砹是人工合成的放射性元素。

鹵素僅缺少一個電子就達到8電子的穩定結構，因此它們容易獲得一個電子成為一價負離子。和同周期元素相比，鹵素的非金屬性是xxx的。非金屬性從氟到碘依次減弱。此外，鹵素的熔沸點、原子半徑、離子半徑等都隨原子序數增大而增大，而電負性隨原子序數增大而減小。鹵素同時也是非常活潑的非金屬，能和活潑金屬生成離子化合物，幾乎能和所有的非金屬反應，生成共價化合物。鹵素在化合物中常見的氧化數為-1。除氟以外，鹵素還可以形成正的氧化數。

鹵素的一般性質

d區元素價層電子結構為(n-1)dns（Pd，4d5s例外）。由于(n-1)d軌道和ns軌道能量相近，d電子也可部分或全部參與成鍵，因此d區元素的價層電子為最外層ns和次外層(n-1)d電子。

d區元素的最后一個電子填充在次外層，因而屏蔽作用較大，有效核電荷數增加也不多，性質變化規律不同于主族元素，表現出同周期性質比較接近，從左至右隨d電子數的增加而緩慢變化，呈現出一定的水平相似性。這種結構上的共同特點使過渡元素在基本性質上有許多共同之處，同時也決定了它們的性質與主族元素性質的差異性。

同周期中d區元素的原子半徑變化有一定的規律性，自左向右隨著原子序數的遞增，原子半徑緩慢減小。同族中，由于自上而下原子的電子層數逐漸增多，原子半徑總趨勢是增大的但因鑭系收縮的影響，同族中第五、六周期兩元素的原子半徑非常接近。過渡元素的金屬性變化規律基本是從左到右、從上到下緩慢減弱。

元素周期表中的d區元素

ds區元素是指ⅠB、ⅡB兩族元素，包括銅族元素的銅、銀、金和鋅族元素的鋅、鎘、汞，該區元素處于d區和p區之間，所以性質特別。

銅族元素和鋅族元素價層電子結構分別為(n-1)dns和(n-1)dns，原子結構特征是(n-1)d軌道全充滿，ns軌道上有1~2個電子。由于次外層電子為18電子構型，對原子核的屏蔽效應小，因此銅族和鋅族元素原子作用在最外層電子上的有效核電荷較大,所以與具有同樣最外層電子結構的堿金屬和堿土金屬元素相比，其原子半徑小，電離能高、電負性大。

銅族元素的氧化值有+1、+2和+3，這是由于銅族元素原子的最外層電子的能量與次外層d電子的能量相差較小，在反應中不僅能失去電子，在一定條件下還可以失去一個或兩個次外層的d電子。鋅族元素的特征氧化值為+2，但鎘和汞有+1的氧化值。

ds區元素單質具有特征顏色，如銅呈紫色，銀為白色，金是黃色等。由于(n-1)d電子為全充滿的穩定狀態，不參與成鍵，單質內金屬鍵比較弱，因此，與d區元素相比，ds區元素的熔、沸點較低，其中汞是常溫下xxx的液體金屬。另外，ds區元素大多具有良好的導電性、導熱性和延展性。其中銀的導電性xxx；金的延展性xxx。

金屬金

銅族元素的原子半徑小，ns電子的活潑性遠小于堿金屬，因此銅、銀和金單質的化學性質比較穩定，且穩定性按銅、銀、金的順序遞增。鋅和鎘的化學性質相似，而汞的化學活潑性差得多。

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