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元素周期律
1868年門捷列夫發(fā)現(xiàn)的規(guī)律
元素周期律（elements， periodic law of）指元素的性質(zhì)隨元素的原子序數(shù)（即核電荷數(shù)或核外電子數(shù)）的增加而呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律。它把許多化學(xué)事實(shí)聯(lián)系起來，說明了元素性質(zhì)上的周期性變化，并在化學(xué)知識系統(tǒng)化過程中起過重要作用，使化學(xué)研究減少了盲目性。
基本信息
| 中文名 | 元素周期律 |
| 外文名 | periodic law of (chemical) elements |
| 發(fā)現(xiàn)時間 | 19世紀(jì)60年代 |
| 領(lǐng)域 | 化學(xué) |
| 主要貢獻(xiàn)者 | 門捷列夫 |
| 表現(xiàn)形式 | 元素周期表 |
收起
簡介
發(fā)現(xiàn)
19世紀(jì)60年代化學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多種元素，并積累了這些元素的原子量數(shù)據(jù)為尋找元素間的內(nèi)在聯(lián)系創(chuàng)造必要的條件。俄國著名化學(xué)家門捷列夫和德國化學(xué)家邁錫尼等分別根據(jù)原子量的大小，將元素進(jìn)行分類排隊(duì)發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)隨原子量的遞增呈明顯的周期變化的規(guī)律。1868年，門捷列夫經(jīng)過多年的艱苦探索發(fā)現(xiàn)了自然界中一個極其重要的規(guī)律—元素周期規(guī)律。這個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)是繼原子-分子論之后，近代化學(xué)史上的又一座光彩奪目的里程碑它所蘊(yùn)藏的豐富和深刻的內(nèi)涵，對以后整個化學(xué)和自然科學(xué)的發(fā)展都具有普遍的指導(dǎo)意義。1869年門捷列夫提出第一張?jiān)刂芷诒恚鶕?jù)周期律修正了銦、鈾、釷、銫等9種元素的原子量；他還預(yù)言了三種新元素及其特性并暫時取名為類鋁、類硼、類硅，這就是1871年發(fā)現(xiàn)的鎵、1880年發(fā)現(xiàn)的鈧和1886年發(fā)現(xiàn)的鍺。這些新元素的原子量、密度和物理化學(xué)性質(zhì)都與門捷列夫的預(yù)言驚人相符，周期律的正確性由此得到了舉世公認(rèn)。
內(nèi)容
結(jié)合元素周期表，元素周期律可以表述為：元素的性質(zhì)隨著原子序數(shù)的遞增而呈周期性的遞變規(guī)律。
最新版元素周期表
主要化合價
同一周期中，從左到右，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的最高正化合價遞增（從+1價到+7價），第一周期除外，第二周期的O、F（O，F(xiàn)無正價，除外）元素除外；
最低負(fù)化合價遞增（從－4價到－1價）第一周期除外，由于金屬元素一般無負(fù)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
金屬性、氧化性、氫化性、穩(wěn)定性
a.單質(zhì)氧化性越強(qiáng)，還原性越弱，對應(yīng)簡單陰離子的還原性越弱，簡單陽離子的氧化性越強(qiáng)；
c.其氫化物越穩(wěn)定；
同一族中，從上到下，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的金屬性遞增，非金屬性遞減；
a.單質(zhì)還原性越強(qiáng)，氧化性越弱，對應(yīng)簡單陰離子的還原性越強(qiáng)，簡單陽離子的氧化性越弱；
b.單質(zhì)與水或酸越容易反應(yīng)，反應(yīng)越劇烈；
c.單質(zhì)與氫氣越不容易反應(yīng)；
d.最高價氧化物對應(yīng)水化物（氫氧化物）堿性越強(qiáng)。
此外還有一些對元素金屬性、非金屬性的判斷依據(jù)，可以作為元素周期律的補(bǔ)充：
為了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不同的原子選擇不同的方式。同一周期元素中，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。隨著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。
意義
元素周期律是自然科學(xué)的基本規(guī)律，也是無機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)。各種元素形成有周期性規(guī)律的體現(xiàn)，成為元素周期律，元素周期表則是元素周期律的表現(xiàn)形式。
元素周期表是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的一種重要工具．元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，它反映了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，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(zhì)、它在周期表中的位置和它的原子結(jié)構(gòu)三者之間的密切關(guān)系來指導(dǎo)我們對化學(xué)的學(xué)習(xí)研究。
過去，門捷列夫曾用元素周期律來預(yù)言未知元素并獲得了證實(shí)。此后，人們在元素周期律和周期表的指導(dǎo)下，對元素的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展起了一定的推動作用。不僅如此，元素周期律和周期表為新元素的發(fā)現(xiàn)及預(yù)測它們的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了線索。
元素周期律和周期表對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定的指導(dǎo)作用。由于在周期表中位置靠近的元素性質(zhì)相近，這樣就啟發(fā)了人們在周期表中一定的區(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。
元素周期律的重要意義，還在于它從自然科學(xué)方面有力地論證了事物變化中量變引起質(zhì)變的規(guī)律性。
元素周期律和周期表，揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，反映了元素性質(zhì)與它的原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在哲學(xué)、自然科學(xué)、生產(chǎn)實(shí)踐各方面，都有重要意義。
(1)在哲學(xué)方面，元素周期律揭示了元素原子核電荷數(shù)遞增引起元素性質(zhì)發(fā)生周期性變化的事實(shí)，從自然科學(xué)上有力地論證了事物變化的量變引起質(zhì)變的規(guī)律性。元素周期表是周期律的具體表現(xiàn)形式，它把元素納入一個系統(tǒng)內(nèi)，反映了元素間的內(nèi)在聯(lián)系，打破了曾經(jīng)認(rèn)為元素是互相孤立的形而上學(xué)觀點(diǎn)。通過元素周期律和周期表的學(xué)習(xí)，可以加深對物質(zhì)世界對立統(tǒng)一規(guī)律的認(rèn)識。
(2)在自然科學(xué)方面，周期表為發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論提供了客觀依據(jù)。原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表有密切關(guān)系，周期表為發(fā)展過渡元素結(jié)構(gòu)，鑭系和錒系結(jié)構(gòu)理論，甚至為指導(dǎo)新元素的合成，預(yù)測新元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都提供了線索。元素周期律和周期表在自然科學(xué)的許多部門，首先是化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地球化學(xué)等方面，都是重要的工具。
(3)在生產(chǎn)上的某些應(yīng)用
由于在周期表中位置靠近的元素性質(zhì)相似，這就啟發(fā)人們在周期表中一定的區(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。
①農(nóng)藥多數(shù)是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。
③催化劑的選擇：人們在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，已發(fā)現(xiàn)過渡元素對許多化學(xué)反應(yīng)有良好的催化性能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)系。于是，人們努力在過渡元素(包括稀土元素)中尋找各種優(yōu)良催化劑。
④耐高溫、耐腐蝕的特種合金材料的制取：在周期表里從ⅢB到ⅥB的過渡元素，如鈦、鉭、鉬、鎢、鉻，具有耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。它們是制作特種合金的優(yōu)良材料，是制造火箭、導(dǎo)彈、宇宙飛船、飛機(jī)、坦克等的不可缺少的金屬。
⑤礦物的尋找：地球上化學(xué)元素的分布跟它們在元素周期表里的位置有密切的聯(lián)系。科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下規(guī)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(shù)為偶數(shù)的元素較多，原子序數(shù)為奇數(shù)的元素較少。處于地球表面的元素多數(shù)呈現(xiàn)高價，處于巖石深處的元素多數(shù)呈現(xiàn)低價；堿金屬一般是強(qiáng)烈的親石元素，主要富集于巖石圈的最上部；熔點(diǎn)、離子半徑、電負(fù)性大小相近的元素往往共生在一起，同處于一種礦石中。在巖漿演化過程中，電負(fù)性小的、離子半徑較的、熔點(diǎn)較高的元素和化合物往往首先析出，進(jìn)入晶格，分布在地殼的外表面。
有的科學(xué)家把周期表中性質(zhì)相似的元素分為十個區(qū)域，并認(rèn)為同一區(qū)域的元素往往是伴生礦，這對探礦具有指導(dǎo)意義。
簡史
1829年，德國J.W.德貝賴納在研究元素的原子量與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)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(zhì)相似，中間元素的化學(xué)性質(zhì)介于前后兩個元素之間，它的原子量也差不多是前后兩個元素的平均值。1862年，法國尚古多提出元素性質(zhì)有周期性重復(fù)出現(xiàn)的規(guī)律，他創(chuàng)造了一種螺旋圖，將62個元素按原子量大小循序標(biāo)記在繞著圓柱體上升的螺線上，可以清楚地看出某些性質(zhì)相近的元素都出現(xiàn)在同一條母線上。1864年，英國W.奧德林發(fā)表了一張比較詳細(xì)的周期表，表中的元素基本上按原子量遞增的順序排列，體現(xiàn)了元素性質(zhì)隨原子量遞增會出現(xiàn)周期性的變化。他還在表中留下空位，認(rèn)識到它們是尚未被發(fā)現(xiàn)但性質(zhì)與同一橫列元素相似的元素。1865年，英國J.A.R.紐蘭茲把當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)的元素按原子量大小順序排列，發(fā)現(xiàn)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(zhì)相似，他把這個規(guī)律稱為八音律。對元素周期律的發(fā)展貢獻(xiàn)最大的當(dāng)推俄國D.I.門捷列夫和德國J.L.邁爾。門捷列夫曾經(jīng)收集了許多元素性質(zhì)的數(shù)據(jù)，并加以整理，在這一過程中，他緊緊抓住元素的基本特征——原子量，探索原子量與元素性質(zhì)的關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)，如果把所有當(dāng)時已知的元素按照原子量遞增的順序排列起來，經(jīng)過一定的間隔，元素的性質(zhì)會呈現(xiàn)明顯的周期性。1869年，他發(fā)表了第一張?jiān)刂芷诒恚?月，他委托N.A.緬舒特金在俄羅斯化學(xué)會上宣讀了論文“元素屬性和原子量的關(guān)系”，闡述了周期律的基本要點(diǎn)：
①將元素按照原子量大小順序排列起來，在性質(zhì)上呈現(xiàn)明顯的周期性。
②原子量的大小決定元素的特性。
③應(yīng)該預(yù)料到許多未知元素的被發(fā)現(xiàn)。
④當(dāng)知道了某元素的同類元素后，有時可以修正該元素的原子量。
在這張周期表中，有4個位置只標(biāo)出原子，在應(yīng)該寫元素符號的地方卻打了一個問號。這是因?yàn)殚T捷列夫在設(shè)計(jì)周期表時，當(dāng)他按原子量遞增的順序?qū)⒃嘏帕械解}（原子量為40）時，在當(dāng)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，鈣后面的一個元素似乎是鈦。但是，門捷列夫發(fā)現(xiàn)，如果照這樣的次序排列，鈦就和鋁屬于同一族，實(shí)際上鈦的性質(zhì)并不與鋁相似，而與鋁的后面一個元素硅相似，因此他斷定鈦應(yīng)該與硅屬于同一族，在鈣與鈦之間應(yīng)該存在著一個元素，雖然這個元素尚未被發(fā)現(xiàn)，但應(yīng)該為它留出空位。根據(jù)同樣理由，他認(rèn)為在鋅與砷、鋇與鉭之間也應(yīng)留下空位，因此他預(yù)言了原子量為45、68、70的3種未知元素的性質(zhì)，并命名為類硼、類鋁、類硅。后來，這3種元素先后被發(fā)現(xiàn)，1875年布瓦博德朗發(fā)現(xiàn)的鎵即類鋁，1879年L.F.尼爾松發(fā)現(xiàn)的鈧即類硼，1886年C.溫克勒爾發(fā)現(xiàn)的鍺即類硅。這3種新發(fā)現(xiàn)的元素的性質(zhì)與門捷列夫的預(yù)言很吻合，證明了周期律的正確性。1870年邁爾發(fā)表了一張?jiān)刂芷诒恚赋鲈氐男再|(zhì)是原子量的函數(shù)，他所依據(jù)的事實(shí)偏重元素的物理性質(zhì)。他對于族的劃分也比門捷列夫的周期表更加完善，例如將汞與鎘、鉛與錫、硼與鋁列為同族元素。
周期性規(guī)律
元素呈現(xiàn)種種物理性質(zhì)上的周期性，例如隨著元素原子序數(shù)的遞增，原子體積呈現(xiàn)明顯的周期性，在化學(xué)性質(zhì)方面，元素的化合價、電負(fù)性、金屬和非金屬的活潑性，氧化物和氫氧化物酸堿性的變遷，金屬性和非金屬性的變遷也都具有明顯的周期規(guī)律。具體為：同一周期，核外電子層數(shù)相同；同一族，核外電子數(shù)相同（第一周例外）在同一周期中，這些性質(zhì)都發(fā)生逐漸的變化，到了下一周期，又重復(fù)上一周期同族元素的性質(zhì)。
應(yīng)用
周期律在使化學(xué)知識特別是無機(jī)化學(xué)知識的系統(tǒng)化上起了重要作用，對于研究無機(jī)化合物的分類、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)方面起了指導(dǎo)作用。周期律在指導(dǎo)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周期律為依據(jù)的，原子核的種種人工蛻變也都是按照元素在周期表中的位置來實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)以后，新元素的不斷發(fā)現(xiàn)，填充了周期表中的空位，科學(xué)家在周期律指導(dǎo)下，還合成了超鈾元素，并發(fā)展了錒系理論。在原子結(jié)構(gòu)的研究上，也獲得了殼層結(jié)構(gòu)的周期規(guī)律。
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