什么是元素周期表和金属性质?

[拼音]：yuansu zhouqibiao he jinshu xingzhi

[外文]：periodic table of elements and properties of metals

在元素周期表中（见非铁金属），元素按原子序数Z值递增的次序排列。壳层数n相同的元素被排列在一横行，称为周期，如n＝1的横行称第一周期，氢就在第一周期内；n＝2称为第二周期，有锂、铍等；n＝3称第三周期，有钠、镁、铝等。每个周期都以一种惰性气体元素作为结束。对惰性气体元素来说，对应于某一主量子数的一切电子态全部填满。竖直的各列叫做族；属同一族中的元素，具有相同数目的最外壳层电子。也常用属于第几族来说明元素在周期表中的位置。

金属分布于元素周期表的广大区域。参考各金属元素在周期表中的位置，再结合金属电子论和晶体结构，可以对金属的某些性质和行为得到更为系统的理解。金属可以有不同的分类方法和相应的名称，如铁和非铁金属；简单金属和过渡金属；一价金属和多价金属（或叫做开金属和实金属）；在一价金属中碱金属和贵金属等等。

碱金属中的锂、钠、钾、铷和铯的固体，都具有体心立方结构。从一般理解的金属特性来说，它们是接近理想金属的，即它们中的传导电子的状态，最接近金属电子论所阐述的情况。图1中ρ(r)表示电子云密度，r表示对原子核的距离，可以看出，锂和钠的离子、电子云密度在金属中二原子间距中点处几乎为零；其他几个碱金属的离子电子云密度，在间距中点处也不很大。注意到体积与半径的立方成正比，就很容易理解。这些金属的离子实（原子去掉最外层电子后所剩余的部分）所占的体积，只是金属晶体中原子体积的很小一部分，其他空间都为传导电子所占据。所以碱金属可以想象为在自由电子气的空间排布着小的离子群，这些金属因此得到虚空金属或开金属的名称。离子的电子云既然重叠很少（即在间距中点处密度低），所以它们在决定碱金属结合能和原子间距方面起的作用不大。碱金属的性质主要决定于传导电子（价电子）。

钾和铷、钾和铯、铷和铯之间原子半径相差不大，晶体结构相同，又都是一价金属，所以可形成连续固溶体，IA族中的其他各元素原子半径差都较大，相互溶解度很低。碱金属正电性很强，故很少能和其他金属形成固溶体。

贵金属和碱金属一样都是一价金属，但贵金属呈面心立方结构，它们远不像碱金属那样虚空。图2是铜的自由离子的ρ(r)和r的变化。在相当于金属中两相邻原子间距中点处，电子云的密度很大，也就是说离子的电子云重叠很大，电子云间有很强的排斥力。与碱金属相比，铜的压缩系数是很低的；银和金的情况也类似。

铜和金、银和金两两之间的原子半径差都小于14％，形成连续固溶体，铜银二元系中有典型的共晶反应，固溶度非常有限。这可能是由于银的 4d10电子壳层比较稳定而不容易极化，难以适应形成固溶体所要求的变化。金离子电子云比较容易畸变极化，有利于形成金银、金铜连续固溶体，金比铜难以在各向同性压力下压缩，但在单向张应力下，却比铜容易形变。当以铜或银为基，与铝、锗、锌、镓组成二元合金时，能生成一系列合金相。根据电子浓度(在合金中每原子平均分到的传导电子数)的变化，常可以说明各种合金相的出现或消失。

过渡族金属存在于长周期中。在这些元素中，里面的轨道（如3d等）尚未填满的情况下，一个或两个电子已经进入更外面的一层轨道(如4s等)。以后再增加的电子则又进入里面未填满的轨道。这样就间断了周期表中主量子数和次量子数序列的规律性。

实验证明，在过渡族金属中自由原子的 ns、np 和(n－1)d.电子壳层在形成金属时相互重叠而形成杂化带(spd)。铁、钴、镍是具有铁磁性的金属，它们都存在于第一长周期中，这些金属和以它们为基的合金的性质及其规律，在科学理论和工业技术方面都曾进行广泛深入的研究，具有很大的实用意义。当其他过渡族金属溶入铁中时，引起液相线和固相线的降低，溶质元素离溶剂元素在周期表中的距离越远，引起的下降越大。

从图3可以看出，金属的性质随元素在周期表中的位置而变化的情况，过渡族金属的熔点都比较高。熔点高低是原子间结合力强弱的一种标志。以原子的升华热表示结合能更为确切，升华热就是从固体把一个原子移到气态所需要提供的能量。高结合能通常表示可压缩性低，但是并没有简单的定量关系。过渡族金属的晶体结构也存在一些规律性。

在每一周期首位的碱金属，每个原子有一个外层电子，原子体积又很大，每一参加键联的电子占据的体积也大。沿着一个周期向右移动，原子体积逐渐下降，而参加键联的电子数却逐渐增多，于是每个电子分到的体积就小多了。在过渡族金属序列的中间和后端的元素，原子间距与正常泡令共价离子半径是同数量级的，使得有些研究者猜想，这些过渡族金属中的结合力可能与金刚石等共价晶体中的结合力的性质相象。

参考书目

W.Hume-Rothery，Atomic theory for students of metallurgy，3rd rev.ed.，The Institute of metals，London，1960.C.S.Barrett & T.B.Massalski，Structure of meta- ls，3rd rev.ed.，Pergamon，Oxford，1980.