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第一章 原子結構與性質
第二節 原子結構與元素的性質 課時1
1.了解三張有重要歷史意義的周期表，了解元素周期表的發展歷史。
2.知道元素周期律、元素周期系和元素周期表的概念。
3.通過自主探究元素周期表，理解構造原理與元素周期表之間的聯系。
1869年，門捷列夫制作了歷史上第一張周期表，圖1-14是該表的修訂版，又稱短式周期表。門捷列夫周期表最重要的特征是從第四周期開始每個周期截成兩截，第1-7族分主副族，第八族稱為過渡元素（第八族是鐵、鈷、鎳等“三素組”）。主副族和第八族的概念使用至今，但過渡元素的概念不同了。
科學史話
1905年，配位化學鼻祖維爾納制做了一張周期表稱為特長式周期表，每個周期一行，各族元素、過渡元素、稀有氣體、鑭系和錒系，各有各的位置，同族元素上下對齊，維爾納的周期表與現在的周期表相似，但也有差異。比如沒有確定鑭系和錒系的元素種類，Be、Mg的位置與現今周期表不同。
… … …
H … He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo … Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Ce Nd Pr … … Sm Eu Gd Tb Ho Er Tm Yb … … Ta W … Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi … … …
… Ra Laα Th … … … … … U … … … … Ac … … … … … … … … … … … … Pbα Biα Teα … …
圖1-15 維爾納的特長式周期表
1922年，玻爾獲諾貝爾獎時做了題為“原子結構”的報告，其中有一張周期表，如圖1-16所示。它是1895年湯姆孫周期表的改進版。在玻爾所作的改進中，特別重要之處是把21-28、39-46等元素用方框框起。這是因為玻爾用原子結構來解釋周期系了，他已經認識到，這些框內元素的原子新增加的電子是填入內層軌道的。玻爾已經得知鑭后14種元素基原子有4f電子，也用方框框起，而且第六周期為32種元素，但第七周期元素所知甚少。玻爾周期表還用直線連接前后周期的相關元素（同族元素），這是因為玻爾已經知道，它們的價電子數相等。
一、元素周期律、元素周期系和元素周期表
1.元素周期律
（1）定義：元素的性質隨原子的核電荷數遞增發生周期性遞變，這一規律叫做元素周期律
（2）實質：元素性質的周期性變化是元素原子的核外電子排布周期性變化的必然結果。
2.元素周期系
定義：元素按其原子核電荷數遞增排列的序列稱為元素周期系。
這個序列中的元素性質隨著核電荷數的遞增發生周期性的重復。
3.元素周期表
（1）含義：元素周期表是呈現元素周期系的表格。
（2）元素周期系與元素周期表的關系：
(3)元素周期系只有一個,元素周期表多種多樣。第一張元素周期表是由門捷列夫制作的。
二、構造原理與元素周期表
1.元素周期表的結構：根據構造原理得出的核外電子排布，可以解釋元素周期系的基本結構。
（1）周期（七橫七周期，三短四長）
從上到下 類別 各周期原子的電子層數 各周期最多容納的元素種類數
第一周期 短周期 1 2
第二周期 2 8
第三周期 3 8
第四周期 長周期 4 18
第五周期 5 18
第六周期 6 32（含鑭系15種元素）
第七周期 7 32（含錒系15種元素）
（2）核外電子排布與周期的劃分
周期 外圍電子排布 各周期增加的能級 元素
種類
第ⅠA族 0族 最外層最多容納電子數
一 1s1 1s2 2 1s 2
二 2s1 2s22p6 8 2s、2p 8
三 3s1 3s23p6 8 3s、3p 8
四 4s1 4s24p6 8 4s、3d、4p 18
五 5s1 5s25p6 8 5s、4d、5p 18
六 6s1 6s26p6 8 6s、4f、5d、6p 32
七 7s1 7s27p6 8 7s、5f、6d、7p 32
表：每一周期元素原子的外圍電子排布與元素種類
（3）根據構造原理得出的核外電子排布與周期中元素種類數的關系
元素周期系中每個周期的元素數,第一周期從1s1開始,以1s2結束,只有兩種元素。中間按照構造原理依次排滿各能級。其余各周期總是從ns能級開始,以np結束,遞增的核電荷數(或電子數)就等于每個周期里的元素數。具體數據如下:
周期 ns→np 電子數 元素數目
一 1s1～2
二 2s1～2 2p1～6
三 3s1～2 3p1～6
四 4s1～2 3d1～10 4p1～6
五 5s1～2 4d1～10 5p1～6
六 6s1～2 4f1～14 5d1～10 6p1～6
七 7s1～2 5f1～14 6d1～10 7p1～6
2
2
8
8
8
8
18
18
18
18
32
32
32
32
遞增的核電荷數=元素個數
若以一個方格代表一種元素，每個周期排成一個橫排，并按s、p、d、f分段，左側對齊，可得到如下元素周期表：
【思考與討論】1950年國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）推薦了一張元素周期表，書末的元素周期表就是參照其新版制作的。
請問：怎樣將圖1-17變成書末的元素周期表？
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（4）族（十八縱行十六族，七主七副一VIII一0）
列 數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
類 別 主族 副族 第VIII族 副族 主族 0
族
名 稱 I A II A III B IV B V B VI B VII B 第VIII族 IB II B III A IV A V A VI A VII A 0
族
（5）核外電子排布與族的關系
元素周期表中,同族元素價層電子數相同,這是同族元素性質相似的結構基礎。主族元素的價電子為該元素原子的最外層電子。如堿金屬元素的基態原子的價電子排布為ns1。元素周期表最右側稀有氣體元素的基態原子,除氦(1s2)外,最外層都是8電子,即ns2np6。
副族元素的價電子與其最外層電子和次外層電子有關(鑭系、錒系元素還與次次外層的f電子有關)。如鐵元素的價電子排布式為3d64s2。
族 按族分類 價層電子排布式 價層電子數 特點
I A 主族 ns1 1 族序數=最外層電子數=價層電子數
ⅡA ns2 2
ⅢA ns2np1 3
IVA ns2np2 4
VA ns2np3 5
ⅥA ns2np4 6
ⅦA ns2np5 7
ⅢB 副族(鑭系、 錒系除外) (n-1)d1-10ns1-2 3 價層電子數=族序數
ⅣB 4
VB 5
VIB 6
VIIB 7
I B 11 （n-1）d軌道為全充滿狀態，族序數=最外層ns軌道上的電子數
ⅡB 12
Ⅷ Ⅷ族 (n-1)d6-10ns0-2 8 Ⅷ族第1列元素的價電子數=族序數
Ⅷ族第2列元素的價電子數為9
Ⅷ族第3列元素的價電子數為10
9
10
0 0族 1s2或ns2np6(n>1) 2或8 為原子軌道全充滿的穩定結構
2.原子結構與元素周期表的分區
①s區:包括ⅠA、ⅡA族元素,價電子排布式為ns1~2, 最后一個電子填在ns能級上,除氫元素外均屬于活潑金屬元素。
②p區:包括ⅢA~ⅦA族以及0族元素,價電子排布式為ns2np1~6(除He外),最后一個電子填在np能級上,為非金屬元素和少數金屬元素。
③d區:包括ⅢB~Ⅷ族元素(除鑭系、錒系外),價電子排布式為(n-1)d1~9ns1~2(鈀除外),最后一個電子填在(n-1)d能級上,為過渡金屬元素。
④ds區:包括ⅠB、ⅡB族元素,價電子排布式為(n-1)d10ns1~2。先填滿了(n-1)d能級而后再填充ns能級,為過渡金屬元素(d區和ds區金屬元素均為過渡金屬元素)。
⑤f區:包括鑭系和錒系元素,價電子排布式為
(n-2)f0~14(n-1)d0~2ns2。
三、再探元素周期表
討論：
（1）為什么副族元素又稱為過渡元素？過渡元素價層電子數跟它們的族序數有什么關系？寫出它們的價層電子排布通式。
副族元素介于s區元素(主要是金屬元素)和p區元素(主要是非金屬元素)之間，處于由金屬元素向非金屬元素過渡的區域，因此副族元素又稱為過渡元素。過渡元素價層電子數跟它們的族序數的關系是：第ⅢB族到第ⅦB族元素的價層電子數等于它們的族序數；第Ⅷ族有3列元素，其族序數等于該族的第1列元素的價層電子數；第IB族、第ⅡB族的族序數等于它們的最外層電子數。過渡元素的價層電子排布通式為(n-1)d1-10ns2(除鑭系和錒系)。
（2）按照核外電子排布，可把元素周期表劃分成5個區，如圖1-19所示。除ds區外，各區的名稱來自按構造原理最后填入電子的能級的符號。s區、d區和p區分別有幾個列？為什么s區（除氫元素）、 d區和ds區的元素都是金屬元素？
s區有2列，d區有8列，p區有6列。s區元素的價層電子排布通式為ns1-2,d區元素的價層電子排布通式為(n-1)d1-9ns1-2,ds區元素的價層電子排布通式為(n-1)d10ns2,它們的最外層電子數均不超過2,在化學反應中容易失去電子，所以s區(除氫元素外)、d區和ds區的元素都是金屬元素。
（3）處于非金屬與金屬分界線上的元素常被稱為半金屬或類金屬，為什么？
由于元素的金屬性和非金屬性之間并沒有嚴格的界限，處于非金屬與金屬分界線上的元素既能表現出一定的非金屬性，又能表現出一定的金屬性，因此這些元素常被稱為半金屬或類金屬。
（4）在周期表里找出Cr和Cu的價層電子。它們的電子排布符合構造原理嗎？此外還有哪些元素的基態原子排布不符合構造原理？
Cr的價層電子排布式為3d54s1,Cu的價層電子排布式為3d104s1,不符合構造原理(它們的3d軌道達到半充滿或全充滿結構，是一種能量較低的穩定結構)。此外，Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Au、La、Ce、Gd、Ac、Th、Pa、U、Np、Cm等的基態原子電子排布均不符合構造原理。
（5）預言119號元素基態原子最外層電子排布；預言第八周期有多少種元素。
第7周期、0族元素為118號，119號元素應位于第八周期第IA族，故基態原子最外層電子排布為8s1;
周期分別為一、二、三、四、五、六、七，元素種數分別為2x12、2×22、2×22、2×32、2×32、2×42、2×42,以此預測第八周期元素種數為2×52=50(種)。
在元素周期表中，某些主族元素與右下方的主族元素（如圖1-20）的有些性質是相似的（如鋰和鎂在過量的氧氣中燃燒均生成正常氧化物，而不是過氧化物），這種相似性被稱為對角線規則。
（1）對角線規則是從相關元素及其化合物的許多性質中總結出來的經驗規則，不是定理。在科學研究中，你對類似對角線規則這樣的經驗規則有何看法？
（2）以“對角線規則”為關鍵詞，利用互聯網搜索有關資料，比較鋰和鎂、鈹和鋁、硼和硅三對元素及其化合物性質的相似性。
【思考與討論】
對角線規則
1.鋰和鎂
能直接與氮氣反應生成氮化物
溶解性，鋰的化合物比其他堿金屬的鹽更難溶于水，與鎂鹽相似。
2.鈹和鋁
它們的氫氧化物具有兩性；
且都難溶于水，只能溶于強酸和強堿溶液中。
3.硼和硅
硼與硅都能生成揮發性、活潑的氫化物；
它們的鹵化物（BF3除外）能水解生成硼酸和硅酸。
練一練
1.判斷正誤。
答案： × × × × × × √
(1)除0族外,短周期元素的最高化合價在數值上都等于該元素所屬的族序數 (　　)
(2)除短周期外,其他周期均有18種元素 (　　)
(3)堿金屬元素是指第ⅠA族的所有元素 (　　)
(4)在元素周期表中,所有非金屬都位于p區 (　　)
(5)價電子數與最高化合價相等的元素一定是主族元素 (　　)
(6)次外層全充滿而最外層有不成對電子的元素一定是主族元素 (　　)
(7)元素周期表5個區中都有金屬元素 (　　)
2.下列關于原子核外電子排布與元素在周期表中位置關系的敘述中,正確的是(　　)
A.原子價電子排布為ns2np1~6的元素一定是主族元素
B.基態原子最外電子層的p能級上有5個電子的元素一定是第ⅦA族元素
C.原子的價電子排布為(n-1)d6~8ns2的元素一定位于第ⅢB~ⅦB族
D.基態原子N能層上只有1個電子的元素一定是主族元素
B
3.外圍電子構型為3d104s1的元素在周期表中位于(　　)
A.第五周期第ⅠB族
B.第五周期第ⅡB族
C.第四周期第ⅦB族
D.第四周期第ⅠB族
D
4.指出下列元素是主族元素還是副族元素,及其在元素周期表中的位置。
(1)1s22s22p63s2是　　　族元素,位于周期表中第　　周期第　　　族,
屬于　　　區元素。
(2)[Kr]4d105s25p2是　　　族元素,位于周期表中第　　　周期第　　　族,屬于_____　　　區元素。
(3)[Ar]3d14s2是　　　族元素,位于周期表中第　　周期第　　　族,
屬于　　　區元素。
(4)[Ar]3d104s1是　　　族元素,位于周期表中第　　周期第　　　族,
屬于　　　區元素。
主
三
ⅡA
s
主
五
ⅣA
p
副
四
ⅢB
d
副
四
ⅠB
ds
一、元素周期律、元素周期系和元素周期表
1.元素周期律
2.元素周期系
3.元素周期表
二、構造原理與元素周期表
1.原子的電子排布與周期的劃分：
2.原子的電子排布與族的劃分
主族元素：族序數=原子的最外層電子數=價電子數
副族元素：大多數族序數=（n-1)d+ns的電子數=價電子數
3.原子的電子構型和元素的分區:
周期序數=能層數
5個區：s區、d區、ds區、p區、f區

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