元素周期表：科学领域的重要基础资料

元素周期表（The Periodic Table）的确立在化学发展史上具有里程碑意义。1869年3月，俄罗斯化学教授德米特里·门捷列夫（Mendeleev，1834—1907）（图2－23）在题为《元素性质与原子量的关系》的论文中首次提出了元素周期律，发表了第一张元素周期表。这个表包括了当时科学家们已知的63种元素，表中共有67个位置，尚有4个空位只有相对原子质量而没有元素名称，他是第一位通过周期表中的趋势预测未知元素（如镓和锗）特性的人。在对元素的相对原子质量进行审定之后，于1871年12月发表了他的第二个元素周期表。与他的第一张元素周期表相比，第二个元素周期表更完备、更精确、更系统。

图2－23　门捷列夫

（a）门捷列夫；（b）Ge元素

元素周期表是元素周期律（periodic rule of elements）的表现形式，元素周期律是元素的性质随着原子序数的递增呈现周期性变化的规律。

1.元素的周期

元素周期表共有7个横行，每一横行为一个周期，所以元素周期表共有7个周期。第一周期是特短周期，有2种元素；第二、三周期是短周期，各有8种元素；第四、五周期是长周期，各有18种元素；第六周期是特长周期，有32种元素；第七周期也应为特长周期，有32种元素（87～118号），但是直到2003年8月才发现第116号元素，因此为未完成周期。各周期所包含元素的数目恰好等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。

从原子核外电子排布的规律可知，原子的电子层数与该元素所在的周期数是相对应的，并与原子核外电子填充的最高主量子数的值是一致的；而元素所在的周期数又是与各能级组相对应的，因此能级组的划分是导致周期表中各元素划分为周期的本质原因。

每一周期元素原子最外层上的电子数自1增到8（第一周期除外），呈现出明显的周期性变化。所以每一周期元素都是从碱金属开始，以稀有气体元素结束。而每一次重复，都意味着一个新周期的开始，一个旧周期的结束。由于元素的性质主要是由原子的核外电子排布和最外层电子数决定的，因此，元素性质的周期性变化是原子核外电子排布周期性变化的反映。

2.元素的族

元素周期表中共有18纵行，有关族的划分主要有两种方法。

一种划分方法是分为16个族，除了稀有气体（零族）和第Ⅷ族元素外，还有7个主族（main group）元素和7个副族（subsidiary group）元素。主族元素是指电子最后填充在s轨道和p轨道上的元素，用A表示。最外层电子数等于元素所处的族数。副族元素是指电子最后填充在d轨道和f轨道上的元素，用B表示。最外层电子排布为ns1～2，次外层电子排布为（n－1）d1～10，第三层电子排布是（n－2）f1～14。同族内各原子的主量子数不同，但都有相同的外层电子结构，因此，同族元素化学性质很相似。

另一种划分方法是1986年国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）推荐的，每一个纵行为一族，分为18个族，从左向右用阿拉伯数字1～18标明族数。(www.xing528.com)

元素中能参与成键的电子称为价电子。主族元素指最外层的s电子和p电子，副族元素除最外层s电子外，还包括（n－1）d电子和（n－2）f电子。

位于周期表下面的镧系元素（lanthanide elements）和锕系元素（actinide elements），按其所在的族来说应属于ⅢB族，但因性质的特殊性而单列。

3.元素的分区

根据元素原子的外层电子结构，可把周期表中的元素分成5个区域，如图2－24所示。

图2－24　周期表的分区

①s区元素（s－block element）：最后一个电子填充在s轨道上的元素称为s区元素。包括ⅠA族碱金属元素和ⅡA族碱土金属元素，原子的价层电子结构为ns1～2。这些元素是活泼金属，在化学反应中容易失去1个或2个电子形成M＋或M2＋。

②p区元素（p－block element）：最后一个电子填充在p轨道上的元素称为p区元素。包括ⅢA～ⅦA各族和零族元素。除氦元素外，原子的价层电子结构为ns2np1～6。p区里有最活泼的非金属和一般的非金属，也包括两性元素和活泼性较小的金属元素，稀有气体也在此区域里。

③d区元素（d－block element）：最后一个电子填充在d轨道上的元素称为d区元素。包括ⅢB～ⅦB各副族和第Ⅷ族元素，原子的价层电子结构为（n－1）d1～9ns1～2（有例外）。d区里的元素都是金属元素，性质变化比较缓慢，一般多变价，为过渡元素（transition elements）。过渡元素是指电子进入d轨道上的一系列元素。

④ds区元素（ds－block element）：最后一个电子填充在d轨道上且达到d10状态的元素称为ds区元素。包括ⅠB族元素和ⅡB族元素。原子的价层电子结构为（n－1）d10ns1～2。在讨论元素性质时，常归为d区元素。

⑤f区元素（f－block element）：最后一个电子填充在f轨道上的元素称为f区元素。包括镧系（57～71）元素和锕系（89～103）元素，原子的价层电子结构为（n－2）f1～14（n－1）d0～2ns2（有例外）。f区元素又称内过渡元素（inner transition elements），内过渡元素是指电子进入f轨道上的一系列元素，特点是化学性质非常相似。

s区和p区元素称为主族元素（main group），共计44个元素。d区元素称为过渡元素（transition elements）。ⅠA族元素称为碱金属（alkali metals），ⅡA族称为碱土金属（alkaline earth metals），ⅦA族元素称卤素（halogens），ⅧA族称为稀有气体（noble gases）。

常温常压条件下，周期表中只有两个元素是液体状态：汞（Hg）、溴（Br）；气体有：惰性气体、氢、氮、氧、氟、氯；其余都是固体。