高中化学A13-元素周期律

元素周期律

元素化学性质随元素原子序数的递增而呈现周期性变化,这个规律叫做元素周期律。

本质原因:元素原子核外电子排布的周期性变化。

短周期元素核外电子排布的周期性变化

原子半径

同周期(稀有气体除外),从左到右,随着原子序数的递增,元素原子半径递减;

同主族中,从上到下,随着原子序数的递增,元素原子半径递增。

元素原子变径周期性变化

上一周期阴离子与下一周期阳离子具有相同的电子层结构,这时核电荷数越大,微粒半径越小。
如半径:\ce{O^2- > F- > Na+ > Mg^2+}

同种元素形成的粒子具有相同的核电荷数,它们的粒子半径大小顺序主要由最外层电子数确定,有:阳离子半径 < 中性原子 < 阴离子半径。
如半径:\ce{Fe^3+ < Fe^2+ < Fe}

化合价

同周期中,从左到右,随着原子序数的递增,元素的最高正化合价递增(从+1价到+7价),第一周期除外,第二周期的O、F元素除外;

由于金属元素不容易获得电子,一般无负化合价。从ⅣA族开始,最低负化合价递增(从-4价到-1价)。第一周期除外。

第二周期元素常见化合价

元素最高价的绝对值与最低价的绝对值的和为8 。
元素最高正价 = 最外层电子数
元素最低负价= 最外层电子数 - 8

元素的金属性和非金属性

同一周期中,从左到右,随着原子序数的递增,元素的金属性递减,非金属性递增;

同一族中,从上到下,随着原子序数的递增,元素的金属性递增,非金属性递减。

金属性与非金属性递变规律

金属性强弱

金属活动性顺序:\ce{K, Ca, Na,Mg, Al, }\ce{Zn, Fe, Sn, }\ce{Pb, (H), }\ce{Cu, Hg, Ag,}\ce{ Pt, Au}顺序,金属性逐渐减弱。

金属性越强,单质跟水或酸反应置换出氢越容易,反应也越剧烈。(Na与水剧烈反应,Mg与水反应需加热)

金属性越强,最高价氧化物对应水化物的碱性越强。(碱性:\ce{NaOH > Mg(OH)2})

置换反应中,活泼的金属能从盐溶液中将较不活泼金属置换出来。(\ce{Fe + Cu^2+ =}\ce{Fe^2+ + Cu}

原电池反应中,金属性越强的金属失电子能力越强,用作电源负极。

非金属性强弱

最高价氧化物对应的水化物的酸性越强,对应的元素非金属性越强。(酸性:\ce{H2CO3 > HNO3})

气态氢化物越稳定,或与氢气化合越容易,非金属性越强。(稳定性:\ce{HF > HI})

若非金属A能将非金属B从其盐溶液中置换出来,则A的非金属性更强。(\ce{Br2 + 2I- = }\ce{2Br- + I2})

非金属元素A、B形成化合物AB,其中显负价的元素非金属性更强。(\ce{SO2})

相同条件下将金属氧化到更高价态的非金属元素的非金属性更强。(\ce{Fes, FeCl3})

元素周期表中位于对角线位置的元素化学性质相似。

由原子序数确定其在周期表中的位置

  • 以0族元素原子序数为参照,\ce{He 2,Ne 10, }\ce{Ar 18,}\ce{ Kr 36, }\ce{Xe 54,}\ce{ Rn 86}
  • 比0族元素原子序数多1到2的元素,位于对应0族元素的下一周期的 IA(第一主族) 或 IIA (第二主族)。
  • 比0族元素原子序数少1到5的元素,位于对应0族元素同周期的 VIIA(第七主族) 到 IIIA(第三主族) 。

元素周期律递变实例

卤族元素结构与性质

卤族元素电子层结构

最外层电子数均为7,容易获得电子,非金属性很强。

与氢气化合,生成氢化物稳定性比较:

单质与氢气 反应难易 产物稳定性
\ce{F2} 暗处就能爆炸 很稳定
\ce{Cl2} 光照下发生爆炸,点燃有苍白色火焰 很稳定
\ce{Br2} 在加热的条件下能反应 较稳定
\ce{I2} 持续加热,反应可逆 不稳定

随原子层数增加,卤素原子半径增加,核对最外层电子的吸引力逐渐减弱,得电子能力(氧化性,非金属性)逐渐减弱。

卤素单质间的置换反应

\ce{Cl2 + 2Br- = }\ce{2Cl- + Br2}

\ce{Br2 + 2I- = 2Br- + I2}

氧化性:\ce{F2 > Cl2 > Br2 > I2}

还原性:\ce{I- > Br- > Cl- > F-}

卤族元素物理性质渐变:

\ce{F2}浅黄绿色,\ce{Cl2}黄绿色, \ce{Br2}深红棕色,\ce{I2}紫黑色

\ce{F2, Cl2}常温下为气态。\ce{Br2}是常温下唯一的液态非金属单质。\ce{I2}常温下是紫黑色固体。

第三周期元素结构与性质

第三周期元素电子层结构

最外层电子从1到7,失电子能力越来越弱,得电子能力越来越强,既金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。

\ce{Na}与水反应剧烈,\ce{Mg}与水在加热的条件下才能反应。\ce{NaOH}是强碱,\ce{Mg(OH)2}是中强碱,\ce{Al(OH)3}是两性氧化物。

\ce{H2SiO3}是极弱酸,\ce{H3PO4}是中强酸,\ce{H2SO4}是强酸,\ce{HClO4}是最强酸。由最高价氧化物对应水化物的酸性强弱可知,\ce{Si, P, S, Cl}非金属性逐渐增强。

由于第三周期元素核外均为3个电子层,但从左至右核电荷数逐渐增多,核对核外电子的吸引越强,因此第三周期元素原子半径随核电荷数增大原子变径递减(0族元素\ce{Ar}除外)。

元素周期律的应用

元素的结构、位置、性质三者关系

元素的结构主要包括核电荷数,核外电子排布。

元素的位置指元素在周期表中位于第几周期,第几族。

元素的性质包括价态、氧化性、还原性、碱性、酸性、反应难易等。

结构决定位置与性质;性质反映结构,性质可推测位置;位置可推出结构,位置可预测性质。

元素周期律的应用

  • 预测元素的性质。

    利用元素与元素周期表中近邻的元素性质的相似性与递变规律来预测未知元素的化学、物理性质。

  • 启发人们在一定区域里寻找新物质。

    半导体、农药、催化剂、特殊合金材料的研发中,通常依据元素性质相似性在某元素周围一定区域内寻找性能更优的替代元素。


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