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原创 4188.通过《元素周期表》分析元素属性

  • 王东镇
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  • 2019-03-21 09:08:54

4188.通过《元素周期表》分析元素属性

2019.3.21

由于十年动乱,我基本没有学过中学物理化学。接近六十岁时,补习了大学本科物理化学,也是囫囵吞枣,没有留下多少印象。始终没有放弃的是《元素周期表》,试图分析元素结构与物理化学属性之间的关系,最近终于有了一些突破。

网上搜索元素的金属与非金属性,发现“元素的金属性是指元素的原子失电子的能力;元素的非金属性是指元素的原子得电子的能力[billbit1] 。”

周期表中的位置关系

对于主族元素来说,同周期元素随着原子序数的递增,原子核电荷数逐渐增大,而电子层数却没有变化,因此原子核对核外电子的引力逐渐增强,随原子半径逐渐减小,原子失电子能力逐渐降低,元素金属性逐渐减弱;而原子得电子能力逐渐增强,元素非金属性逐渐增强。例如:对于第三周期元素的金属性Na>Mg>Al,非金属性Cl>S>P>Si。

主族元素,随着原子序数的递增,电子层逐渐增大,原子半径明显增大,原子核对最外层电子的引力逐渐减小,元素的原子失电子逐渐增强,得电子能力逐渐减弱,所以元素的金属性逐渐增强,非金属性减弱。例如:第一主族元素的金属性H<Li<Na<K<Rb<Cs,卤族元素非金属性F>Cl>Br>I。

综合以上两种情况,可以得出结论:在元素周期表中,越向左、下方,元素金属性越强,金属性最强的金属是Cs;越向右、上方,元素的非金属越强,非金属性最强的元素是F。例如:金属性K>Na>Mg,非金属性O>S>P。

化学反应中表现关系

一般说来,元素的金属性越强,它的单质与水或酸反应越剧烈,对于的碱的碱性也越强。例如:金属性Na>Mg>Al,常温时单质Na与水能剧烈反应,单质Mg与水能缓慢地进行反应,而单质Al与水在常温时很难进行反应,它们对应的氧化物的水化物的碱性 NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3。元素的非金属性越强,它的单质与H?反应越剧烈,得到的气态氢化物的稳定性越强,元素的最高价氧化物所对应的水化物的酸也越强。例如:非金属Cl>S>P>Si,Cl?与H?在光照或点燃时就可能发生爆炸而化合,S与H?须加热才能化合,而Si与H?须在高温下才能化合并且SiH4极不稳定;氢化物的稳定HCl>H2S>PH3>SiH4;这些元素的最高价氧化物的水化物的酸性HClO4>H2SO4>H3PO4>H4SiO4。

因此,在化学反应中的表现可以作为判断元素的金属性或非金属强弱的依据。另外,还可以根据金属或非金属单质之间的相互置换反应,进行金属性和非金属性强弱的判断。一种金属把另一金属元素从它的盐溶液里置换出来,表明前一种元素金属性较强;一种非金属单质能把另一种非金属单质从它的盐溶液或酸溶液中置换出来,表明前一种元素的非金属性较强。

性质关系对比:

元素的性质与物质的化学性质的关系

元素的金属性越强,它的单质还原性越强,而它阳离子的氧化性越弱。例如:金属性Na>Mg>Al,单质的还原性Na>Mg>Al,阳离子的氧化性Na+<Mg2+<Al3+。中学化学教材中金属活动顺序表为K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au,而阳离子的氧化性为K+<Ca2+<Na+<Mg2+<Al3+<Zn2+<Fe2+<Sn2+Br>I>S,它们的单质的氧化性Cl2>Br2>I2>S,还原性Cl2

物理性质

非金属单质大多是分子晶体,少部分为原子晶体和过渡型的层状晶体。

单质共价键数大部分符合8-N规则

稀有气体:8-8=0(2-2=0),为单原子分子卤素,氢:8-7=1(2-1=1),为双原子分子VIA族的硫、硒、碲:8-6=2,为二配位的链形与环形分子V A族的磷、砷:8-5=3,为三配位的有限分子P4,As4,灰砷和黑磷为层状分子IV A族的碳、硅:8-4=4,为四配位的金刚石型结构。少数分子由于形成π键大Π键或d轨道参与成键,键型发生变化,于是不遵守8-N规则。如N2、O2分子中的原子间的键不是单键;硼单质和石墨结构中,键的个数也不等于8-N个。

物理性质可分为三类:

稀有气体及O2、N2、H2等:一般状态下为气体,固体为分子晶体,沸点很低多原子分子,S8、P4等:一般状态下为固体,分子晶体,熔沸点低,但比第一类高大分子单质,金刚石、晶态等:原子晶体,熔沸点高。

化学性质

活泼非金属元素,如F2,Cl2,Br2,O2,P S等,能与金属形成卤化物、氧化物、硫化物,氢化物含氧酸盐等。非金属元素之间也能形成卤化物、氧化物、无氧酸含氧酸等。

大部分单质不与反应,仅卤素与高温下的碳与水发生反应。

非金属一般不与非氧化性稀酸发生反应,硼、碳、磷、硫、碘、砷等才能被浓HNO3、浓H2SO4王水氧化。

除碳、氮、氧外,一般可以和溶液发生反应,对于有变价的主要发生歧化反应;Si、B则是从碱溶液中置换出氢气;浓碱时,F2能氧化出O2

成键方式

非金属原子之间主要成共价键,而非金属元素与金属元素之间主要成离子键。

非金属原子之间成共价键的原因是,两种原子均有获得电子的能力,都倾向于获得对方的电子使自己达到稳定的构型,于是两者就共用电子对以达此目的。

而金属原子失去电子的能力较强,与非金属相遇时就一者失电子、一者得电子,双方均达到稳定结构。

多原子的共价分子常常出现的一种现象是轨道杂化,这使得中心原子更易和多个原子成键。

非金属原子之间形成的共价键中,除了一般的σ键π键,还有一种大Π键。大Π键是离域的,可以增加共价分子或离子的稳定性。

以上均来自网上搜索,也是主流书本知识,与我的看法不尽相同,却也给了我很多提示,了解了目前的化学知识。

我在工厂时是木型工,拥有一定的热加工知识。分析金属融化和定型,可能与核外电子(融化)缺失与(冷却)共轭有关。分析《元素周期表》不同元素的核外电子构型,发现不同元素核外电子构型与0族元素对比,存在相对“缺失”情况。“缺失”的层次和数量越多,金属性越强;“缺失”的越少,非金属性越强,甚至成为气体元素,于是产生了核外电子互补可能是化合物形成的另一种形态。这样就有了分子结构形成的两种可能:核外电子共轭与核外电子互补,可能是所谓共价键和离子键的成因。互补形式的共轭,可能结合程度更为牢固。

众所周知,金属材料与非金属材料的重要区别之一是导电性能,金属元素核外电子的相对“缺失”可能是其优异导电性的重要原因,非金属元素相对完善的核外电子构型可能是绝缘性的重要原因,半导体通常处于金属元素靠近非金属元素的边缘。

核外电子构型反映核内质子分布,而不是吸引电子的能力,所以我不能同意目前关于金属、非金属区别的定义。

原子结构由质子和中子组成,不外乎第一周期元素的五种形态,而宇宙射线由第一周期元素组成,所以我认为第一周期元素是初始元素和具有基本粒子性质的化学元素。鉴于复杂原子结构有中子递增趋势,是对纯质子和氦3形态的否定,所以相对高端元素一般由氘、氚、氦4架构组成。

分析《元素周期表》,越是靠近左下角的元素金属性越强,越是靠近右上角的元素非金属性越强。0族元素可能全部是气体元素,不排除重力条件下存在固体形态的可能性。d区元素都是耐高温金属元素,其中的VI B区元素熔点最高。ds区是过渡区间,各周期只有两个化学元素,第一个化学元素只有一个表层核外电子,表现出优异的延展性和导电性,分别是铜、银、金元素,值得深入分析。我国古代的炼金术以汞和铅为材料,炼制黄金,没有核裂变技术是不可能成功的,因为它们由金元素演变而成。

元素的离子现象可能从表层核外电子开始,离子程度越深,核外电子共轭程度可能越深,材料耐高温和结晶程度可能越好。是否如此,通过实验才能知道。

没有扎实的物理化学知识只能粗浅分析,仅供参考。


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