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第三節(jié)
元素周期表的應(yīng)用
1.元素周期律和元素周期表的重要意義
元素周期律和周期表，揭示了元素之間的內(nèi)在聯(lián)系，反映了元素性質(zhì)與它的原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，在哲學(xué)、自然科學(xué)、生產(chǎn)實踐各方面都有重要意義。
（1）在哲學(xué)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(zhì)發(fā)生周期性變化的事實，有力地論證了事物變化的量變引起質(zhì)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(nèi)，反映了元素間的內(nèi)在聯(lián)系，打破了曾經(jīng)認(rèn)為元素是互相孤立的形而上學(xué)觀點。通過元素周期律和周期表的學(xué)習(xí)，可以加深對物質(zhì)世界對立統(tǒng)一規(guī)律的認(rèn)識。
（2）在自然科學(xué)方面，周期表為發(fā)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論提供了客觀依據(jù)。原子的電子層結(jié)構(gòu)與元素周期表有密切關(guān)系，周期表為發(fā)展過渡元素結(jié)構(gòu)、鑭系和錒系結(jié)構(gòu)理論、甚至為指導(dǎo)新元素的合成、預(yù)測新元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都提供了線索。元素周期律和周期表在自然科學(xué)的許多部門，首先是化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、地球化學(xué)等方面，都是重要的工具。
（3）在生產(chǎn)上的某些應(yīng)用
由于在周期表中位置靠近的元素性質(zhì)相似，這就啟發(fā)人們在周期表中一定的區(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。
①
農(nóng)藥多數(shù)是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。
②
半導(dǎo)體材料都是周期表里金屬與非金屬接界處的元素，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(xué)反應(yīng)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原子的d軌道沒有充滿有密切關(guān)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。例如，目前人們已能用鐵、鎳熔劑作催化劑，使石墨在高溫和高壓下轉(zhuǎn)化為金剛石；石油化工方面，如石油的催化裂化、重整等反應(yīng)，廣泛采用過渡元素作催化劑，特別是近年來發(fā)現(xiàn)少量稀土元素能大大改善催化劑的性能。
④
耐高溫、耐腐蝕的特種合金材料的制?。涸谥芷诒砝飶蘑驜到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(dǎo)彈、宇宙飛船、飛機、坦克等的不可缺少的金屬。
⑤
礦物的尋找：地球上化學(xué)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(xué)實驗發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：相對原子質(zhì)量較小的元素在地殼中含量較多，相對原子質(zhì)量較大的元素在地殼中含量較少；偶數(shù)原子序的元素較多，奇數(shù)原子序的元素較少。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(fù)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(fù)性小的、離子半徑較小的、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(xué)家把相似周期表中性質(zhì)的元素分為十個區(qū)域，并認(rèn)為同一區(qū)域的元素往往是伴生礦，這對探礦具有指導(dǎo)意義。
2.元素周期表的終點在哪里？
1869年俄國化學(xué)家門捷列夫?qū)?dāng)時已發(fā)現(xiàn)的63種元素列成元素周期表，并留下一些空格，預(yù)示著這些元素的存在。在元素周期表的指導(dǎo)下，人們“按因索驥”找出了這些元素。
元素種類到底是否有限？周期表有否終點？
20世紀(jì)30～40年代，人們發(fā)現(xiàn)了92號元素，就有人提出92號是否是周期表的最后一種元素。然而從1937年起，人們用人工合成法在近50年時間又合成近20種元素，元素周期表的尾巴增長了。這時又有人預(yù)言，105號元素該是周期表的盡頭了，其理由是核電荷越來越大，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)也越來越大，質(zhì)子間的排斥力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過核子間作用力，導(dǎo)致它發(fā)生蛻變，然而不久，又陸續(xù)合成了106～109號元素。這些元素存在的時間很短，如107號元素半衰期只有2
μs，照此推算元素周期表是否到盡頭了？
1969年起，理論物理學(xué)家從理論上探索“超重元素”存在的可能性，他們認(rèn)為具有2，8，14，28，50，82，114，126，184等這些“幻數(shù)”的質(zhì)子和中子，其原子核比較穩(wěn)定，這就是說，隨著原子序數(shù)的遞增，其原子核不一定不穩(wěn)定。因此在109號元素之后還能合成一大批元素，這樣，第七周期32種元素將會被填滿，第八周期也將填滿（按理論計算，第八周期元素共50種，其中7種主族元素，1種惰性元素，10種過渡元素或副族元素，還有32種超錒系元素，列在元素周期表錒系元素的下方）。
然而理論的唯一檢驗標(biāo)準(zhǔn)是實踐，能否不斷合成新元素至今還是一個謎，科學(xué)家將上天（如到月球）入地（如海底）或反復(fù)在粒子加速器中進行實驗，企圖合成新元素，其結(jié)果將會如何，人們正拭目以待。
更為有趣的是，有些科學(xué)家還提出元素周期表可以向負(fù)方向發(fā)展，這是由于科學(xué)上發(fā)現(xiàn)了正電子、負(fù)質(zhì)子（反質(zhì)子），在其他星球上是否存在由這些反質(zhì)子和正電子以及中子組成的反原子呢？這種觀點若有一朝被實踐證實，元素周期表當(dāng)然可以出現(xiàn)核電荷數(shù)為負(fù)數(shù)的反元素，向負(fù)向發(fā)展也就順理成章了。
3．前兩周期元素的“反?！毙再|(zhì)。
我們已知，第一周期只有氫、氦兩種元素。這兩種元素在性質(zhì)上與其他各周期元素的性質(zhì)有非常明顯的差異，通常很難用周期律的有關(guān)理論加以解釋，現(xiàn)分別初步加以探究：
1．氫原子核外只有1個電子，根據(jù)這一點，把氫放在ⅠA族，它失去1個電子變成
，
可看作“質(zhì)子”，半徑極小，不僅水溶液中沒有單獨的
存在，而且也不能以單獨的質(zhì)點形式存在于晶格內(nèi)。這是和其他堿金屬離子不同的。氫離子（或氫原子）雖然能與活潑金屬（或金屬氧化物）之間發(fā)生置換反應(yīng)，但此類置換反應(yīng)和金屬原子與金屬離子之間的置換反應(yīng)具有質(zhì)的區(qū)別，因為參加反應(yīng)或釋放出來的氫氣是共價型分子而不是金屬晶體（單質(zhì)）。所以把氫元素放在ⅠA放就勢必會出現(xiàn)它是唯一的非金屬元素這一“反?！爆F(xiàn)象。另外在一些反應(yīng)中，氫的性質(zhì)與鹵素原子相似，它能形成
，并能形成雙原子分子，所以原來的周期表也把氫元素放在ⅦA族中。不過放在ⅦA族中，又有許多性質(zhì)的變化趨勢是與ⅦA族存在差異的。因氫元素的非金屬性與任何鹵素相比是最弱的，這一點不符合元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。而且在一般情況下氫只表現(xiàn)還原性，而鹵素單質(zhì)主要表現(xiàn)氧化性。若把氫元素放在任何一個孤立的位置上（如ⅣA族），必然會損害元素周期律這一客觀事實及其遞變規(guī)律。因此，按照習(xí)慣，仍將氫元素放在ⅠA族，作為“反常”元素來處理，如堿金屬的性質(zhì)遞變就不包含氫元素。綜上所述，氫元素與其他各元素族的差別在周期表中顯得尤為突出。
2．氦是第2號元素，它的性質(zhì)很不活潑，這與其他零族元素相似，因此自然把它放在零族。但與其他零族元素的原子比較亦有較大差異：一是在晶體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)上，He與其他零族元素表現(xiàn)出明顯的差異，如低溫結(jié)晶后的He屬六方晶格，而其他零族元素的原子所形成的晶體均為體心立方晶格。二是其他零族元素原子的最外電子層上均為8個電子，而氦原子核外只有2個電子，這與氦原子核外只有1層電子，而K層最多只能容納
個電子有關(guān)，故K層2電子也是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
3．第二周期從Li到F的七種元素，在它們各自對應(yīng)主族中的表現(xiàn)仍有明顯的“反常”現(xiàn)象，而由此建立的“對角錢法則”充分地證明了這一差異性的存在。如：
，即鋰與鎂的相似性超過了它和鈉的相似性，如：
為中強堿，
難溶于水等等。又如：Be、Al的單質(zhì)、氧化物、氫氧化物均表現(xiàn)出明顯的“兩性”；同理，B和Si也存在這種對角線關(guān)系，如晶體硼與晶體硅一樣，屬于堅硬難熔的原子晶體。對角線關(guān)系的存在，說明了第二周期諸元素在各相應(yīng)主族元素性質(zhì)變化規(guī)律中的特殊地位。
綜上所述，由于一、二周期各元素在性質(zhì)變化上的“反?！爆F(xiàn)象，決定了僅通過前三周期元素的性質(zhì)對比來導(dǎo)出元素周期律以及推斷元素性質(zhì)的遞變規(guī)律是不夠嚴(yán)密和完善的。

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