元素周期律

結合元素周期表，元素周期律可以表述為：元素的性質隨著原子序數(shù)的遞增而呈周期性的遞變規(guī)律。

元素周期律原子半徑

同一周期（稀有氣體除外），從左到右，隨著原子序數(shù)的遞增，元素原子的半徑遞減；

同一族中，從上到下，隨著原子序數(shù)的遞增，元素原子半徑遞增。

總說為：左下方>右上方

陰陽離子的半徑大小辨別規(guī)律

由于陰離子是電子最外層得到了電子而陽離子是失去了電子

所以，同種元素：陽離子半徑<原子半徑<陰離子半徑

同周期內，陽離子半徑逐漸減小，陰離子半徑逐漸減小；

同主族內離子半徑逐漸增大。

或者一句話總結，對于具有相同核外電子排布的離子，原子序數(shù)越大，其離子半徑越小。（不適合用于稀有氣體）

元素周期律主要化合價

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無最高正價，F(xiàn)無正價，OF₂除外）元素除外；

最低負化合價遞增（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，代數(shù)和為0，2，4，6的偶數(shù)之一（僅限除O，F(xiàn)的非金屬）

金屬性、氧化性、還原性、穩(wěn)定性

同一周期中，從左到右，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的金屬性遞減，非金屬性遞增；

a.單質氧化性越強，還原性越弱，對應簡單陰離子的還原性越弱，簡單陽離子的氧化性越強；

b.單質與氫氣越容易反應，反應越劇烈，其氫化物越穩(wěn)定；

c.最高價氧化物對應水化物（含氧酸）酸性越強。

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.單質還原性越強，氧化性越弱，對應簡單陰離子的還原性越強，簡單陽離子的氧化性越弱；

b.單質與水或酸越容易反應，反應越劇烈，單質與氫氣越不容易反應；

c.最高價氧化物對應水化物（氫氧化物）堿性越強。

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充：

為了達到穩(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。

隨同一族元素中，由于周期越高，電子層數(shù)越多，原子半徑越大，對核外電子的吸引力減弱，越容易失去，因此排在下面的元素一般比上面的元素金屬性更強。

元素周期律是自然科學的基本規(guī)律，也是無機化學的基礎。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。

元素周期表是學習和研究化學的一種重要工具．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、它在周期表中的位置和它的原子結構三者之間的密切關系來指導我們對化學的學習研究。

過去，門捷列夫曾用元素周期律來預言未知元素并獲得了證實。此后，人們在元素周期律和周期表的指導下，對元素的性質進行了系統(tǒng)的研究，對物質結構理論的發(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)及預測它們的原子結構和性質提供了線索。

元素周期律和周期表對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定的指導作用。由于在周期表中位置靠近的元素性質相近，這樣就啟發(fā)了人們在周期表中一定的區(qū)域內尋找新的物質。

元素周期律的重要意義，還在于它從自然科學方面有力地論證了事物變化中量變引起質變的規(guī)律性。

元素周期律和周期表，揭示了元素之間的內在聯(lián)系，反映了元素性質與它的原子結構的關系，在哲學、自然科學、生產(chǎn)實踐各方面，都有重要意義。

(1)在哲學方面，元素周期律揭示了元素原子核電荷數(shù)遞增引起元素性質發(fā)生周期性變化的事實，從自然科學上有力地論證了事物變化的量變引起質變的規(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，反映了元素間的內在聯(lián)系，打破了曾經(jīng)認為元素是互相孤立的形而上學觀點。通過元素周期律和周期表的學 習，可以加深對物質世界對立統(tǒng)一規(guī)律的認識。

(2)在自然科學方面，周期表為發(fā)展物質結構理論提供了客觀依據(jù)。原子的電子層結構與元素周期表有密切關系，周期表為發(fā)展過渡元素結構，鑭系和錒系結構理論，甚至 為指導新元素的合成，預測新元素的結構和性質都提供了線索。元素周期律和周期表在自然科學的許多部門，首先是化學、物理學、生物學、地球化學等方面，都是重要的工具。

(3)在生產(chǎn)上的某些應用

由于在周期表中位置靠近的元素性質相似，這就啟發(fā)人們在周期表中一定的區(qū)域內尋找新的物質。

①農(nóng)藥多數(shù)是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。

②半導體材料都是周期表里金屬與非金屬交界處的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。

③催化劑的選擇：人們在長期的生產(chǎn)實踐中，已發(fā)現(xiàn)過渡元素對許多化學反應有良好的催化性能。進一步研究發(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。它們是制作特種合金的優(yōu)良材料，是制造火箭、導彈、航天飛機、飛機、坦克等的不可缺少的金屬。

⑤礦物的尋找：地球上化學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?？茖W實驗發(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；堿金屬一般是強烈的親石元素，主要富集于巖石圈的最上部；熔點、離子半徑、電負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，電負性小的、離子半徑較 的、熔點較高的元素和化合物往往首先析出，進入晶格，分布在地殼的外表面。

有的科學家把周期表中性質相似的元素分為十個區(qū)域，并認為同一區(qū)域的元素往往是伴生礦，這對探礦具有指導意義。

19世紀60年代化學家已經(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)為尋找元素間的內在聯(lián)系創(chuàng)造必要的條件。俄國著名化學家門捷列夫和德國化學家邁錫尼等分別根據(jù)原子量的大小，將元素進行分類排隊，發(fā)現(xiàn)元素性質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，近代化學史上的又一座光彩奪目的里程碑它所蘊藏的豐富和深刻的內涵，對以后整個化學和自然科學的發(fā)展都具有普遍的指導意義。1869年門捷列夫提出第一張元素周期表，根據(jù)周期律修正了銦、鈾、釷、銫等9種元素的原子量。他還預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、密度和物理化學性質都與門捷列夫的預言驚人相符，周期律的正確性由此得到了舉世公認。

1829年，德國德貝賴納在研究元素的原子量與化學性質的關系時，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。同組元素的性質相似，中間元素的化學性質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有周期性重復出現(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記在繞著圓柱體上升的螺線上，可以清楚地看出某些性質相近的元素都出現(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，認識到它們是尚未被發(fā)現(xiàn)但性質與同一橫列元素相似的元素。1865年，英國J.A.R.紐蘭茲把當時已發(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)展貢獻最大的當推俄國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的關系。他發(fā)現(xiàn)，如果把所有當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，元素的性質會呈現(xiàn)明顯的周期性。1869年，他發(fā)表了第一張元素周期表，同年3月，他委托N.A.緬舒特金在俄羅斯化學會上宣讀了論文“元素屬性和原子量的關系”，闡述了周期律的基本要點：

①將元素按照原子量大小順序排列起來，在性質上呈現(xiàn)明顯的周期性。

②原子量的大小決定元素的特性。

③應該預料到許多未知元素的被發(fā)現(xiàn)。

④當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個位置只標出原子，在應該寫元素符號的地方卻打了一個問號。這是因為門捷列夫在設計周期表時，當他按原子量遞增的順序將元素排列到鈣（原子量為40）時，在當時已知的元素中，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，實際上鈦的性質并不與鋁相似，而與鋁的后面一個元素硅相似，因此他斷定鈦應該與硅屬于同一族，在鈣與鈦之間應該存在著一個元素，雖然這個元素尚未被發(fā)現(xiàn)，但應該為它留出空位。根據(jù)同樣理由，他認為在鋅與砷、鋇與鉭之間也應留下空位，因此他預言了原子量為45、68、70的3種未知元素的性質，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)的元素的性質與門捷列夫的預言很吻合， 證明了周期律的正確性。1870年邁爾發(fā)表了一張元素周期表，指出元素的性質是原子量的函數(shù)，他所依據(jù)的事實偏重元素的物理性質。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。

元素呈現(xiàn)種種物理性質上的周期性，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，在化學性質方面，元素的化合價、電負性、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，這些性質都發(fā)生逐漸的變化，到了下一周期，又重復上一周期同族元素的性質。

周期律在使化學知識特別是無機化學知識的系統(tǒng)化上起了重要作用，對于研究無機化合物的分類、性質、結構及其反應方面起了指導作用。周期律在指導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現(xiàn)的。20世紀以后，新元素的不斷發(fā)現(xiàn)，填充了周期表中的空位，科學家在周期律指導下，還合成了超鈾元素，并發(fā)展了錒系理論。在原子結構的研究上，也獲得了殼層結構的周期規(guī)律。

還用于在過渡元素（包括稀土元素）中尋找各種優(yōu)良催化劑。例如，人們已能用鐵、鎳熔劑作催化劑，使石墨在高溫和高壓下轉化為金剛石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反應，廣泛采用過渡元素作催化劑，特別發(fā)現(xiàn)少量稀土元素能大大改善催化劑的性能。在金屬與非金屬分界線附近尋找半導體材料，如：鎵Ga，硅Si，硒Se等。在過渡元素中尋找耐高溫、耐腐蝕的合金材料，如用于制火箭和飛機的鈦Ti，鉬Mo等元素。

材料結構與性能第1章

材料的原子和電子結構

1.1 材料的原子結構和鍵合特征

1.1.1 元素周期律和原子結構參數(shù)

1.1.2 化學鍵概念及其應用

1.1.3 化學鍵的性質

1.2 材料的電子結構

1.2.1 原子的電子排列

1.2.2 能帶結構與物理性能

1.2.3 半導體材料的電子結構

參考文獻

思考題

材料結構與性能第2章

材料的晶體結構

2.1 晶體的幾何構成

2.1.1 空間點陣

2.1.2 布拉菲點陣

2.1.3 晶體的對稱性

2.1.4 晶體的物理性能與結構對稱性間的關系

2.2 晶體的結合

2.2.1 原子間的結合力與結合能

2.2.2 純金屬晶體

2.2.3 離子晶體

2.2.4 共價晶體

2.2.5 分子晶體

2.3 液晶結構

2.3.1 熱致液晶

2.3.2 溶致性液晶

2.3.3 聚合物液晶

2.3.4 液晶的物理性質

參考文獻

思考題

材料結構與性能第3章

晶體結構的缺陷

3.1 缺陷的定義及分類

3.2 點缺陷

3.2.1 空位和間隙原子的結構

3.2.2 空位和間隙原子的形成能與熱平衡濃度

3.2.3 離子晶體的點缺陷

3.2.4 雜質缺陷

3.2.5 電子缺陷

3.2.6 缺陷化學基礎

3.3 位錯

3.3.1 位錯的彈性性質

3.3.2 位錯的能量與線張力

3.3.3 位錯的受力

3.3.4 位錯與其他缺陷間的交互作用

3.4 典型晶體中的位錯

3.4.1 面心立方晶體中的位錯

3.4.2 體心立方晶體中的位錯

3.4.3 密排六方晶體中的位錯

3.5 晶體的界面

3.5.1 晶界

3.5.2 相界面

3.5.3 反向疇界

3.5.4 鐵電疇界

3.6 晶體缺陷與材料性能

3.6.1 缺陷對材料物理性能的影響

3.6.2 缺陷與材料的力學性能

參考文獻

思考題

材料結構與性能第4章

鋼鐵材料的組織與性能

4.1 馬氏體組織與性能

4.1.1 馬氏體的晶體結構

4.1.2 馬氏體的組織形貌

4.1.3 馬氏體組織的強度

4.1.4 馬氏體組織的斷裂韌性

4.1.5 馬氏體組織的疲勞強度

4.2 貝氏體組織結構與性能

4.2.1 貝氏體的組織結構

4.2.2 貝氏體組織的強度

4.2.3 貝氏體組織的斷裂韌性

4.2.4 貝氏體組織的疲勞強度

4.2.5 貝氏體/馬氏體復相組織的性能

4.3 珠光體組織與性能

4.3.1 珠光體組織結構

4.3.2 珠光體組織的強度

4.3.3 珠光體組織的斷裂韌性

4.3.4 珠光體組織的疲勞強度

參考文獻

思考題

材料結構與性能第5章

輕合金的組織與性能

5.1 鋁及其合金的組織與性能

5.1.1 鋁及其合金簡介

5.1.2 鋁合金組織與強化機理

5.1.3 鋁合金的斷裂韌性

5.1.4 鋁合金的疲勞性能

5.2 鎂及鎂合金的組織結構與性能

5.2.1 鎂及鎂合金的基本特性

5.2.2 鎂合金的組織特點

5.2.3 鎂合金的強度

5.2.4 鎂合金的斷裂韌性

5.2.5 鎂合金的疲勞強度

5.2.6 鎂合金的蠕變性能

5.3 鈦及鈦合金的結構與性能

5.3.1 鈦及鈦合金的組織結構

5.3.2 鈦合金的力學性能

參考文獻

思考題

材料結構與性能第6章

磁性材料及性能

6.1 材料的結構與磁性

6.1.1 材料的磁性

6.1.2 磁化過程

6.2 磁性材料

6.2.1 R-Fe-B的結構與性能

6.2.2 Sm2Fel7N的結構與性能

6.2.3 納米晶復合磁性材料

參考文獻

思考題

材料結構與性能第7章

非晶合金材料

7.1 非晶合金與非晶態(tài)轉變

7.2 非晶合金的結構特征

7.2.1 衍射法結構表征

7.2.2 短程有序

7.2.3 非晶結構模型

7.3 非晶合金的物理性能

7.3.1 力學性能

7.3.2 耐腐蝕性能

7.3.3 磁學性能

7.3.4 其他特性

7.4 大塊非晶合金

7.4.1 大塊非晶合金的晶化

7.4.2 大塊非晶合金的制備

7.4.3 合金成分設計原則

7.4.4 重要大塊非晶合金

7.4.5 大塊非晶合金應用展望

參考文獻

思考題

材料結構與性能第8章

結構陶瓷的結構與性能

8.1 原子結合鍵與晶體類型

8.1.1 離子鍵與離子晶體

8.1.2 共價鍵與共價晶體

8.1.3 范德瓦爾斯鍵

8.1.4 陶瓷的典型晶體結構

8.1.5 硅酸鹽的晶體結構

8.2 陶瓷材料的顯微組織

8.3 陶瓷的強度與斷裂

8.3.1 陶瓷的彈性模量

8.3.2 陶瓷材料的強度

8.3.3 陶瓷材料的塑性變形

8.3.4 陶瓷材料的斷裂韌性

8.3.5 陶瓷材料的抗熱震性能

8.3.6 氧化鋁陶瓷

8.3.7 氧化鋯陶瓷

8.3.8 氮化物陶瓷

參考文獻

思考題

材料結構與性能第9章

超導材料

9.1 超導材料的基本特性

9.2 超導微觀理論

9.3 超導材料的結構和性質

9.3.1 低溫超導材料

9.3.2 高溫超導材料

9.4 超導材料的結構性能分析方法

9.5 超導材料的應用

參考文獻

思考題

材料結構與性能第10章

光學功能材料

10.1 光學功能材料的基本概念與分類

10.2 光學功能材料的結構設計

10.2.1 結構設計原理

10.2.2 結構設計方法

10.3 典型倍頻晶體的結構與性能

10.3.1 鈮酸鋰晶體的結構與性能關系

10.3.2 磷酸二氫鉀族晶體的結構與性能關系

10.3.3 硼酸鹽晶體的結構與性能關系

參考文獻

思考題

1829年德國化學家德貝萊納（J.Dobereiner）發(fā)現(xiàn)當時已知的44種元素中有15種元素可分為5組，每組的三個元素性質相似，且中間元素的相對原子質量約為較輕和較重的兩個元素相對原子質量之和的一半，如鈣、鍶、鋇，滿足以上條件；氯、溴、碘，鋰、鈉、鉀等組元素的情況類似，由此提出“三素組”的概念，為發(fā)現(xiàn)元素性質的規(guī)律打下了基礎。

現(xiàn)代化學的元素周期律是1869年俄國科學家門捷列夫(Dmitri Mendeleev)首創(chuàng)的，他將當時已知的63種元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化學性質的元素放在同一行，就是元素周期表的雛形。利用周期表，門捷列夫成功的預測當時尚未發(fā)現(xiàn)的元素的特性(鎵、鈧、鍺)。

1913年英國科學家莫色勒利用陰極射線撞擊金屬產(chǎn)生X射線，發(fā)現(xiàn)原子序越大，X射線的頻率就越高，因此他認為核的正電荷決定了元素的化學性質，并把元素依照核內正電荷(即質子數(shù)或原子序數(shù))排列，經(jīng)過多年修訂后才成為當代的周期表。

在周期表中，橫行稱為一個周期，縱列稱為一個族。

1913年，英國物理學家莫斯萊發(fā)現(xiàn)，門捷列夫周期表里的原子序數(shù)實際是原子的核電荷數(shù)。

從此，元素周期律被表述為：元素的性質隨著原子核電荷數(shù)的遞增發(fā)生周期性的遞變。