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第二节 元素周期律
一、元素周期表
元素周期律是元素性质随着核电荷数的递增而呈现周期性变化的规律，原子核外电子层结构的周期性变化是元素周期律的基础。元素周期表是元素周期律的具体表现形式。目前包括7个周期，16个族，5个区，如图5-6所示。
1.周期
元素周期表中的每一横行称为一个周期（period），目前共有七个周期。每个周期对应一个能级组，元素所在周期表中的周期数等于该元素原子最外层的主量子数n（46号元素Pd除外），各周期所含元素的数目等于相应能级组中轨道所能容纳的电子数目。各周期中元素的数目按2、8、8、18、18、32的顺序增加。一般将第一至第三周期称为短周期，其余均称为长周期。
图5-6 周期表中周期、族、区的分布图
2.族和区
周期表将原子的价层电子组态相同或相近、化学性质相似的元素排成列，共18个纵列，16个族（group）。凡包含短、长周期元素的各纵列称为主族（A族），主族共有8个，即ⅠA到ⅧA族，ⅧA族又称0族；仅包含长周期元素的各纵列称为副族（B族），副族也有8个，即ⅠB到ⅧB族。第ⅧB族又称Ⅷ族，比较特殊，包括三纵列12种元素。
根据原子价层电子组态的特征，可将周期表中的元素分为5个区：
s区元素：包括ⅠA和ⅡA族元素，最后一个电子填充在ns轨道上，价层电子组态为ns 1或ns 2。除氢原子以外，其他都是活泼金属。
p区元素：包括ⅢA～ⅧA族元素，最后一个电子填充在np轨道上，价层电子组态为ns 2np 1～6。它们大部分是非金属元素，ⅧA族是稀有气体元素。
d区元素：包括ⅢB～ⅧB族元素，最后一个电子大多数填充在（n-1）d轨道上，价层电子组态一般为（n-1）d 1～9ns 1～2，但也有例外（如Pd：4d 10）。它们都是金属元素，也称为过渡元素（transition element）。
ds区元素：包括ⅠB和ⅡB族，最后一个电子填充在（n-1）d轨道上，并达到d 10状态，价层电子组态为（n-1）d 10ns 1～2。它不同于d区元素，次外层（n-1）d轨道是充满的，都是过渡金属元素。
f区元素：包括镧系和锕系元素，最后一个电子填充在（n-2）f轨道上，价层电子组态一般为（n-2）f 0～14（n-2）d 0～1ns 2。 它们的最外层和次外层电子数目基本相同，只有（n-2）f层电子数目不同，所以又称为内过渡元素。f区每个系内各元素的化学性质极为相似，都是金属。
二、原子结构与元素性质的关系
由于原子的电子层结构呈周期性变化，故元素的一些基本性质，如原子半径、元素电负性也随之呈现周期性的变化。
（一）原子半径
一般所说的原子半径（atomic radius）有三种：以共价单键结合的两个相同原子核间距离的一半称为共价半径（covalent radius）（图5-7中实线距离）；单质分子晶体中相邻分子间两个非键合原子核间距离的一半称为范德华半径（van der Waals radius）（图5-7中虚线距离）；金属单质的晶体中相邻两个原子核间距离的一半称为金属半径（metallic radius）。显然共价半径小于范德华半径。第一至第六周期元素原子的共价半径列于表5-2。
图5-7 原子半径示意图
r c：共价半径 r v：范德华半径
表5-2 原子半径/pm
从表5-2可以看出，同一周期的主族元素，随着原子序数的递增，核电荷数增加而电子层数不变，造成原子核对外层电子的吸引力增强，原子半径逐渐减小（稀有气体例外）。同一周期的副族元素，随着原子序数的递增，增加的电子排布在次外层，与增加的核电荷可抵消掉一部分，造成原子半径的减小缓慢，原子半径略有减小。同一主族元素，从上而下原子半径一般是增大的。因为同一主族的原子由上而下电子层数增多，虽然核电荷是增加的，但由于内层电子的屏蔽，相比之下电子层数增多使原子半径增大。同一副族元素的原子半径的变化与主族元素的变化趋势相同，但由于增加的电子排布在次外层（n-1）d轨道或内层（n-2）f轨道，使得原子半径增大的幅度减小。
（二）元素的电负性
元素的原子在分子中吸引成键电子对的能力，称为元素的电负性（electronegativity），常用符号 X表示。1932年鲍林（Pauling）根据实验数据提出了一套元素的相对电负性数值（见表5-3）。
表5-3 元素电负性
从表5-3可以看出，元素的电负性呈现周期性变化。同一周期元素，从左到右电负性逐渐增强；同一主族元素，从上到下电负性逐渐减小。副族元素的电负性没有明显的变化规律。元素的电负性值越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越强，元素的非金属性越强；元素的电负性值越小，原子在分子中吸引电子的能力就越弱，元素的金属性就越强。因此，元素的电负性综合地反映了元素的原子得失电子能力的大小，较全面地反映元素金属性和非金属性的强弱。金属元素的电负性一般小于2，如87号元素钫的电负性最小，等于0.7，位于周期表的左下角，是金属性最强的元素；非金属元素的电负性一般大于2，如9号元素氟的电负性最大，等于3.98，位于周期表的右上角，是非金属性最强的元素。
元素的电负性应用广泛，除比较元素金属性和非金属性的相对强弱外，还可以帮助理解化学键的性质，解释或预测物质的某些理化性质等。