第8章 元素的週期性
化學
任課教師：顏明賢
第八章
元素的週期性
本章內容
8.1 週期表的發展
8.2 元素的週期分類
8.3 物理性質的週期變化
8.4 游離能
8.5 電子親和力
8.6 典型元素的化學性質變化8.1 週期表的發展
1869年，俄羅斯化學家門得列夫(1836～1907)提出較完整的週期表，其特色為：
1.
將性質相似的元素組成同一族，使週期表的 排列更準確。2.
能預測數種尚未發現的元素之性質。第8章 元素的週期性
門得列夫當時所提出的未知 元素 擬鋁
8.2 元素的週期分類
依照電子填入次層的種類，元素可分成典型元素(1A~7A)、鈍氣(8A)、過渡金屬(B 族)、鑭系元素與錒系元素。
原子的外層電子與該原子形成分子的化學鍵 有關，這些電子稱為價電子 。
元素的化學活性取決於價電子。1A、2A族元素的電子組態
元素在化學方程式中的表示法
金屬沒有分子單元，以實驗式表示，金屬的 實驗式和元素符號相同。
非金屬沒有統一的規則：例如C、H
2
、N2
、O2
、F2
、Cl2
、Br2
、I2
P4
、 S8
、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn
類金屬與金屬一樣，都是三度空間的結構，沒有固定的分子式，以實驗式B、Si、Ge等
陽離子與陰離子的電子組態
離子的電子組態寫法與中性原子相同，利用構築 原理、庖立不相容原理及罕德定則將所有電子列 出。
典型元素 形成的離子之電子組態多數和鈍氣的電子組 態相同。當形成陽離子時，最外層的電子被移去 。例 如：Na：[Ne]3s 1 Na + : [Ne]
當形成陰離子時，最外層增加1個或數個電子，形成與 鈍氣相同的組態，例：F- , O 2-
。 F -
、Na+
與 Ne 的電子組態相同 ，這些電子數相同的物 種稱為等電子(isoelectronic)。
過渡金屬形成的陽離子過渡金屬形成陽離子時，ns 軌域的電子先移 去，然後才是 (n -1)d 軌域。過渡金屬通 常會形成不只一種陽離子，所以其陽離子通 常也並不與前一個鈍氣等電子。
8.3 物理性質的週期變化
元素的電子組態隨原子序的增加而呈週期性 變化，因此元素的物理性質與化學性質也具 有週期性的變化。
有效核電荷
多電子原子的外層電子受到其餘電子的遮蔽效 應，使電子與原子核的正電荷之靜電引力變小。此外電子間的排斥力也會抵消部分因核電荷增 加的引力。有效核電荷(Z)為電子感受到的淨核 電荷： Z
eff
＝Z－σ
Z為真實核電荷，即原子序；σ 為遮蔽常數原子半徑
密度、熔點與沸點等物理性質與原子的大小 有關；原子的大小通常以原子半徑來定義，即相鄰的
2
個原子核距離之一半。
當主量子數固定時，有效核電荷隨原子序的 增加而增加。當有效核電荷增加時，原子半 徑變小。
同族元素的原子半徑隨著原子序增加而增加。離子半徑
離子半徑為陽離子或陰離子的半徑，可從X 射線繞射實驗測得。離子半徑大小會影響離 子化合物的物理與化學性質。
陰離子，半徑會增加；陽離子，半徑會變小。等電子的陽離子比陰離子小，等電子的陽離 子中，正三價離子比正二價小，正二價又比 正一價小。
常見離子半徑
第8章 元素的週期性
同週期與同族元素的物理性 質變化
週期表由左至右，元素從金屬轉變成類金屬，再變成非金屬 。
同族元素的物理性質變化較容易預測，尤其 是當物理狀態相同時。8.4 游離能
游離能為從基態的氣態原子移去1個電子所需的最 低能量，常用的單位為 kJ/mol 。能量＋ X
(g)
→ X(g)
＋ e-
移除第一個電子稱為第一游離能(I
1
)，移去第二個 電子所需的能量為第二游離能(I2
)，移去第三個電 子所需的能量為第三游離能(I3
)，以此類推。
游離能的大小順序為：I
＜I ＜I……
I
1
與原子序的變化圖8.5 電子親和力
電子親和力electron affinity：氣態原子獲 得1個電子所釋出的 能量值。X
(g)
＋ e-
→ X(g) –
8.6
典型元素的化學性質變化
元素的金屬特性由左至右降低，由上至下增 加，金屬的游離能較低，非金屬的電子親和 力較高。
典型元素的化學性質有斜角關係性，斜角關 係為週期表上的斜角元素之相似性，尤其是 第二週期的前三個元素(Li、Be、B)與其斜角元
典型元素的化學性質（氫）
氫電子組態1s1
, 在週期表上沒有適當位置，傳統上將氫放在1A族。
氫主要以H+
（稱為質子）存在。例如HCl, H2
O。 但和金屬則以H－
離子存在，例如 NaH, CaH2
等。典型元素的化學性質（1A族）
1A族元素又稱鹼金屬元素。
電子組態 ns1
， n≧2, 第一游離能較低，化 合物皆為＋1價離子。
鹼金屬活性大，自然界不存在純態。
可與水或其他質子溶劑反應，產生氫氣。2M（s）＋2H
2
O（l
）→2MOH（aq）＋H 2
（g）一
2A族元素（ns
2, n ≧ 2）
又稱鹼土金屬，有Be、Mg、Ca、Sr、Ba等 元素。
游離能由鈹至鋇漸減，因此金屬性漸增。
鈹的化合物其分子性質大於離子性質。
鹼土金屬元素彼此間與水反應的活性相差很 大。鈹不與水反應，鎂與沸水可反應， Ca、Sr、Ba則冷水即可反應。
3A族元素（ns
2 np 1 , n
≧2）
3A族元素有B、Al、 Ga、In、 Tl。硼為類 金屬，不形成二元離子化合物，不與氧或水 反應，餘皆為金屬元素。
鋁與氧易生成氧化鋁，形成金屬表面的保護 層。
鋁只能生成 +3價離子，其餘3A金屬元素則 有+1和+3價兩種氧化態。4A族元素（ns
2 np2, n
≧2）
4A族元素有C、Si、Ge、Sn、Pb。碳為非 金屬，矽、鍺為類金屬，這些元素皆不形成 離子化合物。錫和鉛為金屬元素，都無法和 水反應，但可和酸類化合物反應產生氫氣。
4A族元素的氧化態有＋2及＋4兩種。5A族元素（ns
2 np 3 , n
≧2）
5A族元素有N、P、As、Sb、Bi。
氮、磷為非金屬，砷和銻為類金屬，鉍為金屬。
元素態氮為N2
分子，其氧化物有NO、N2
O、NO2
、 N2
O4
、N2
O5
等，其中N2
O5
為固態，其餘皆為氣態。
磷的元素態為P4
，與氧生成P4
O6
和P4
O10
兩種固態 氧化物。
N和P的重要含氧酸為HNO3
和H3
PO4
。6A族元素（ns
2 np 4 , n
≧2）
6A族元素有O、S、Se、Te、Po等元素。前 三個為非金屬，碲、釙則為類金屬。
氧為双原子氣體分子，硫及硒分子式分別為 S8
及Se8
。
此族元素與非金屬元素可形成很多分子化合 物。硫的重要化合物有SO2
、SO3
、H2
S及 SO3
等。7A族元素（ns
2 np 5 , n
≧2）
7A族元素又稱鹵素，有F、Cl、Br、I、At 等元素。
鹵素皆為非金屬，元素態為双原子分子。
鹵素活性大，自然界不以元素態存在。其游 離能很高，容易生成 －1價陰離子。8A族元素（ns
2 np 6 , n
≧2）
又稱鈍氣，有He、Ne、Ar、Kr、Xn、Rn 等元素。
原子的電子組態為滿軌域，游離能為同一週 期元素中最大。
皆為單原子氣體分子。
1A族與1B族元素的比較 ：外層電子組態類似，均有單一個ns電子，但 兩族的化學性質差異甚大。Cu、Ag及Au因 為d電子的遮蔽效應較差， 1B族元素的游離 能較高，活性相較小很多 。
