元素周期表

周期表(Periodic Table)按递增的质子数(proton number,原子序数(atomic number))排列所有元素(elements)。水平的行叫周期(periods),而竖直的列叫族(groups)。

几个关键的模式:

• 沿一个周期,元素从左边的金属(metals)变到右边的非金属(non-metals)。
• 族号告诉你元素构成的离子(ions)的电荷。族 I 构成 $+1$ 离子,族 II 构成 $+2$ 离子,而族 VII 构成 $-1$ 离子。
• 同一个族中的元素有相似的化学性质。这是因为它们有相同数目的外层电子(electrons,相同的外层电子排布(electronic configuration))。

因为这些模式,你可以用一个元素的位置来预测它的性质。

族 I 元素是碱金属(alkali metals):锂(lithium)、钠(sodium)和钾(potassium)。它们是柔软(soft)的金属(你可以用一把刀切它们)。

沿族向下,有清晰的趋势(trends):

你可以用这些趋势来预测其他族 I 元素的性质。例如,铷(在钾下面)会甚至更活泼并有一个甚至更低的熔点。

Reaction with water, and what you see

这是考试问得最多的反应。每一种族 I 金属都与水反应,生成一种碱(金属氢氧化物)加上氢气 —— 这正是它们被称为碱金属的原因:

"描述你看到的现象"本身就有分,所以要记住钠在水面上的这份清单:

• 它浮在水面 —— 这种金属的密度比水小。
• 它熔化成一个小球 —— 反应放热,而且这种金属的熔点很低。
• 它在水面上四处移动 —— 喷出的氢气推着它跑。
• 有泡腾(effervescence,冒泡)—— 那是逸出的氢气。
• 它越来越小并消失,因为被消耗掉了。
• 溶液变成碱性,所以万用指示剂变紫色(现在它是 $\text{NaOH}$)。

这个趋势体现在反应有多剧烈上:锂平稳地冒泡但不熔化;钠熔化成小球并四处窜动;钾快到足以点燃它自己产生的氢气,燃烧时带淡紫色火焰。有两个答案要避免:"放出氢气"不是观察现象(你看不见它 —— 要写泡腾),而且金属熔化是因为反应放热,不是因为"水很热"。

族 VII 元素是卤素(halogens):氯气(chlorine)、溴(bromine)和碘(iodine)。它们是双原子(diatomic)非金属(每个分子由两个原子构成,如 $\text{Cl}_2$)。

它们在室温和压强下的外观:

沿族向下,密度增大但活泼性减小(与族 I 相反的趋势)。

Displacement reactions

一个更活泼的卤素把一个较不活泼的卤化物(halide)离子从它的溶液中推出(置换)。这是一个置换反应(displacement reaction)。

例如,氯比溴更活泼,所以氯从溴化钾中置换溴:

例题。 把氯水加入碘化钾溶液;再把碘水加入溴化钾溶液。各自会发生什么?第 VII 族中活泼性向下递减:氯,然后是溴,然后是碘。(a) 氯在碘之上,所以更活泼,能把碘置换出来:$\text{Cl}_2 + 2\text{KI} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2$,随着碘被释放,溶液变成红棕色。(b) 碘在溴之下,所以活泼性更低,无法置换溴 - 没有反应,也没有颜色变化。"没有反应"是一个完整且能得分的答案:写任何方程式之前,先看看它们在族中的顺序。

过渡元素(transition elements)是周期表中间的金属块。与族 I 金属相比,它们:

• 有高的密度;
• 有高的熔点;
• 构成有色(coloured)化合物(compounds);
• 常常充当催化剂,既作为元素又在化合物中。

它们也能有可变(variable)的氧化数(oxidation numbers)。例如,铁(iron)构成铁(II)和铁(III)化合物两者。

族 VIII 稀有气体(noble gases)是不活泼(unreactive)、单原子(monatomic)的气体(它们作为单个原子存在,不作为分子)。

它们不活泼,因为它们已经有一个满的外层电子。这使它们稳定,所以它们不需要获得、失去或共享电子。

• 周期表按质子数排序。同一个族(列)中的元素有相同数目的外层电子,所以它们以相似的方式反应;周期是行。
• 族 I(碱金属)沿族向下变得更活泼;族 VII(卤素)沿族向下变得不那么活泼——相反的趋势。
• 一个更活泼的卤素置换一个较不活泼的从它盐的溶液中——例如氯置换溴。
• 稀有气体不活泼,因为它们有一个满的外层。过渡元素硬而致密、构成有色化合物、充当催化剂并有可变的氧化数。