元素

周期表变成这种形状没问题吗?(一) H和He的位置

现在的元素周期表大概有120多种元素排列其中,基本的核外电子分布比较相似的元素都放在了同一列。正因为性质类似的元素被放在了同一列,所以有助于理解各元素的结构。但是,我们也会有“把这个元素放在这个位置合适吗”这样的不满。那么就让我们思考一下,21世纪的周期表,应该画成什么样子比较好呢?

氢元素放在哪里好呢?

氢元素与碱金属元素并不相同

 

如今,广为人知的周期表中,氢元素作为第一族元素,和碱金属元素们在同一族。这样的安排倒是反映出氢元素和同在第一族的锂(Li)和钠(Na)一样在最外层只有一个电子。但是,如果说到化学性质,氢元素和Li、Na并不相似。因为,Li和Na的单质,都是金属,同时性质非常活泼,与水反应剧烈。

氢元素在常温常压下的单质是气体,与碱金属相比,其分子的活泼型比较差。所以,虽然氢元素的电子分布是1s1,与碱金属的特征十分符合,不过其共同点可能也只有这比较肤浅的一点了。如果从化学性质角度出发,把氢元素放在碱金属元素这一族,是非常不妥的。

把氢元素放在卤族也不太合适

把氢元素放在氟元素(F)的上面怎么样?为什么这么说呢,因为氢原子和卤素原子一样,只要加入一个新电子,就可以使价电子层达到稳定结构。由此形成的氢负离子H,可以和金属阳离子形成盐,例如 KH。这就如同卤族元素的阴离子所形成的NaCl和KBr一样。同时,卤族元素作为非金属元素,其单质也是双原子分子不是嘛!基于这些相似特征,相比碱金属元素,氢元素还是与卤族元素的共同点比较多。

但是,氢元素和卤族元素也有决定性的不同。因为Cl2和Br2等卤素分子,都是氧化剂,而H2 则是还原剂。而且,氢元素的电子亲和能Ea 与卤族元素相比要低很多。(例如Ea, H = 72.8 kJ/mol<<Ea, F = 322 kJ/mol)实际上,对于含有氢负离子的盐,例如KH、LiH等,一般只能由氢负离子和阳性最强的几个金属离子形成,一般的金属离子就不行了。即使氢元素可以形成阴离子,也似乎做不到像卤族元素一样十分积极地获得电子。所以想要让氢元素加入卤族元素的阵营,还是有点牵强。

 

氢元素是不属于任何一个群体的特别元素

事实上,IUPAC(国际理论与应用化学联合会)和某些本科的教科书中,氢元素都被当做特别的元素,单独放在了周期表的正中间。

虽然有人感觉这样看起来非常不舒服,可是这也是没办法的事情。

说起来,我们一直以来在探讨的氢元素性质,是从其作为第一周期元素,最外层电子轨道是1s这个事实出发的。也就是说,其最外层只有一个电子,且位于离原子核最近的1s轨道中,相比于其他第一族的元素,其电离能是相当大的。因此氢元素不是金属元素。另一方面,在其最外层加上一个电子的话,就可以形成稳定的结构。基于这些事实,把第一周期的氢元素和氦元素硬放到周期律里,是有些勉强的。虽说“凡事都有例外”,但是就这样把氢元素放在碱金属元素一族,毕竟还是会招致大家对其性质的误解。还不如直接把氢元素直接放在正中间,这种略显多余的设计,反而还比较合理呢。

 

氦元素究竟该放在哪里?

从化学性质出发,应该放在稀有气体一族

 

除了氢元素以外,在周期表中存在位置问题的元素应该就是氦了。在当前使用的周期表中,虽然氦的最外层只有两个电子,但却被放在了第十八族的最上面。这样放置的原因是因为氦在常温常压下是气体,性质不活泼,很明显就是稀有气体的样子。相比于说这个安排是基于最外层电子数,不如说是因为在最右端的元素都是达到稳定结构的,这样安排可以使周期表的结构更合理,也更便于理解。

在s区元素之中只把氦放在了最右端,在形式上很不合适

有很多人建议,既然氦元素最外层只有两个电子,那么就应该放在第二族元素上面,也就是放在铍的上面。这样安排的好处是,s区元素就可以全部集中在周期表左边了。

不过,与IUPAC把氢元素放在周期表中间这种事情相比,把氦元素放在碱土金属元素一族根本就不算什么事。但是即便如此,提出来这样的理论仍然感觉有点荒谬。要说为什么,那是因为如果把氦放在碱土金属元素一族,那么不得不把氢元素放在碱金属元素一族了。

但是,将氢元素放在碱金属的上方而且把氦元素放在碱土金属的上方的周期表,也已经作为一项重要的修改提议而被大家关注了。因为要讲的东西太多了,所以这次先讲到这里为止,下次我们将介绍全新的周期表,究竟是怎样的“新”呢,敬请期待吧。

 

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