元素性质的周期性变化

把所有元素按原子序数排列在周期表中，不只是整理了一张名单——它把元素的性质变化规律也一并“压缩”进去了。每换一个周期，原子半径、化合价、金属性与非金属性都会重复一次相似的增减趋势，这种现象叫做元素性质的周期性变化。理解了这个规律，就能在不做实验的情况下，预判很多元素和化合物的行为。

原子半径的周期性变化

原子半径是衡量原子“大小”的基本参数。原子半径越大，最外层电子距离原子核越远，原子核对外层电子的控制力越弱，失去电子就越容易；原子半径越小，原子核对外层电子的束缚越紧，得到电子的能力越强。

同周期从左到右，原子半径依次减小。

同一周期内，电子层数相同，但从左到右，核内质子数依次增多，原子核的正电荷越来越大，对外层电子的吸引力增强，把电子“拉得更紧”，因此整个原子半径逐渐缩小。

从钠（Na）的186 pm到氯（Cl）的99 pm，差距接近一倍，原子半径缩小的幅度相当显著。

同周期从左到右，质子数增多是原子半径减小的直接原因。电子层数不变，但核对电子的“拉力”越来越大，原子被压缩得越来越紧凑。

同族从上到下，原子半径依次增大。

同族元素从上到下，电子层数依次增多，新增的电子层把最外层推得离原子核越来越远，尽管质子数也在增多，但新增的内层电子会“屏蔽”一部分核的引力，净效果是原子半径增大。

例题 1

比较钠（Na）和氯（Cl）的原子半径大小，并说明理由。

Na和Cl同属第三周期，电子层数相同，都是3层。但Na的核电荷数为11，Cl的核电荷数为17，Cl的质子数更多，对外层电子的吸引力更强，原子半径更小。

$\text{原子半径：Na（186 pm）} > \text{Cl（99 pm）}$

结论：同周期从左到右，原子半径减小，Na的原子半径大于Cl。

例题 2

比较钠（Na）和钾（K）的原子半径，并说明哪个更容易失去电子。

Na位于第三周期，K位于第四周期，同属第IA族，最外层都只有1个电子。但K有4层电子，Na只有3层，K的最外层电子距离原子核更远。

$\text{原子半径：K（227 pm）} > \text{Na（186 pm）}$

K的原子半径更大，最外层电子受到原子核的束缚更弱，因此K比Na更容易失去电子，金属活泼性更强。

原子半径变化规律总结：

把两个方向的变化放在一起看，可以得到一张规律图：

这张表说明，电子层数是决定原子半径大小的最关键因素。新增电子层带来的“膨胀”效果，要比质子数增加带来的“收缩”效果更显著。

整个元素周期表中，原子半径最大的元素是铯（Cs，第六周期 IA 族），原子半径最小的非稀有气体元素是氟（F，第二周期 VIIA 族）。左下角大，右上角小，这个方向值得牢记。

化合价的周期性变化

化合价是元素在化合物中表现出的“结合能力”，和最外层电子数直接相关。主族元素的最高正价等于最外层电子数（也等于族序数），非金属元素还存在负价。

主族元素的化合价规律：

$\text{最高正化合价} = \text{族序数（主族）} = \text{最外层电子数}$

$\text{非金属最低负化合价} = \text{族序数} - 8$

氟（F）是特例：F的非金属性极强，没有正化合价，只表现-1价。氧（O）通常也不表现最高正价（+6），最常见的是-2价。这两个元素需要单独记忆。

例题 3

磷（P）位于第VA族，写出磷在常见化合物中可能出现的化合价，并各举一例化合物。

磷（P）最外层有5个电子，族序数为V：

最高正化合价：+5，如磷酸（H₃PO₄）中P为+5价

最低负化合价： $5 - 8 = -3$ ，如磷化氢（PH₃）中P为-3价

P还可以表现+3价，如三氯化磷（PCl₃）中P为+3价。

$\text{P的化合价范围：}-3, +3, +5$

第三周期主族元素化合价一览：

金属元素（Na、Mg、Al）通常只有正化合价，无负化合价；从硅（Si）开始的非金属元素才同时具有正化合价和负化合价。

金属性与非金属性的规律性体现

金属性和非金属性是元素化学活泼性的两种方向。金属性越强，失去电子越容易；非金属性越强，得到电子越容易。这两种性质在元素周期表中有非常清晰的变化规律。

判断金属性强弱的实验依据：

单质与水（或稀酸）反应越剧烈，对应元素金属性越强。最高价氧化物对应的水化物碱性越强，金属性也越强。

从Na到Al（同周期从左到右），与水的反应越来越弱，金属性依次减弱，这一规律非常直观。

判断非金属性强弱的实验依据：

单质与氢气化合越容易（反应条件越温和，速度越快），对应非金属性越强。最高价氧化物对应水化物酸性越强，非金属性也越强。

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同周期从左到右，非金属性依次增强；同族从上到下，非金属性依次减弱。这两个方向正好“垂直”，周期表右上角（除稀有气体外）的元素非金属性最强，左下角的元素金属性最强。

例题 4

钠（Na）和镁（Mg）同属第三周期。现有如下实验现象：Na切入水中立即剧烈反应并移动，Mg放入冷水中几乎不反应，加热后才缓慢冒气泡。请根据这一现象比较Na和Mg的金属性强弱。

Na与冷水剧烈反应，说明Na失去电子的能力极强：

$\text{2Na} + \text{2H}_2\text{O} \rightarrow \text{2NaOH} + \text{H}_2\uparrow$

Mg需要加热才能与水缓慢反应，说明Mg失去电子的能力明显弱于Na：

$Mg + {2H}_{2} O \overset{}{\to}$

最高价氧化物对应水化物的酸碱性变化

每种主族元素都有最高化合价，对应最高价氧化物，再与水反应可得“最高价氧化物对应的水化物”。这些水化物的酸碱性，在同一周期内呈现出非常有规律的变化。

以第三周期为例，从Na到Cl，最高价氧化物对应水化物依次为：

从左到右，水化物依次从强碱过渡到弱碱，再经过两性的Al(OH)₃，最终变成越来越强的酸。

Al(OH)₃ 既能与强酸反应，又能与强碱反应，这种水化物叫做“两性氢氧化物”。Al 处于金属向非金属过渡的位置，所以它的水化物也体现出“过渡”特征。

$\text{Al(OH)}_3 + \text{3HCl} \rightarrow \text{AlCl}_3 + \text{3H}_2\text{O} \quad \text{（与酸反应）}$

$\text{Al(OH)}_3 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaAlO}_2 + \text{2H}_2\text{O} \quad \text{（与碱反应）}$

同族从上到下，最高价水化物酸性变化：

例题 5

比较 NaOH 与 Mg(OH)₂ 的碱性强弱，并说明原因。

NaOH 是第三周期 IA 族钠的最高价水化物，Mg(OH)₂ 是第三周期 IIA 族镁的最高价水化物。

Na 的金属性强于 Mg（同周期从左到右金属性减弱），金属性越强，对应最高价氢氧化物的碱性越强。

$\text{碱性：NaOH（强碱）} > \text{Mg(OH)}_2\text{（中强碱）}$

实验证明也一致：NaOH 在水中完全电离，Mg(OH)₂ 只能部分电离，碱性明显更弱。

氢化物稳定性的变化

非金属元素可以与氢气化合，生成气态氢化物（如 HF、HCl、H₂S、NH₃ 等）。氢化物的稳定性，直接反映了非金属元素与氢结合能力的强弱。

氢化物稳定性是非金属性强弱的有力证据。非金属性越强，元素与氢的结合越牢固，氢化物分解所需的温度越高，越不容易被破坏。

例题 6

HCl 和 HBr 都是卤族氢化物。已知 Cl 位于第三周期，Br 位于第四周期，同属 VIIA 族，请比较 HCl 和 HBr 的稳定性。

Cl 和 Br 同属 VIIA 族，从上到下电子层数增多，非金属性依次减弱：

$\text{非金属性：Cl} > \text{Br}$

非金属性越强，与氢的结合越紧密，氢化物越稳定，因此：

$\text{稳定性：HCl} > \text{HBr}$

实验中也可以验证：HBr 在较低温度下就能被氧化剂分解，而 HCl 需要更高温度或更强条件才能分解，HCl 明显更稳定。

练习题

第1题【知识点：原子半径的周期性变化】

下列元素原子半径最大的是：

A. Na（钠，第三周期 IA 族）

B. Mg（镁，第三周期 IIA 族）

C. K（钾，第四周期 IA 族）

D. Cl（氯，第三周期 VIIA 族）

答案：C

比较原子半径需从两个维度分析：同周期从左到右原子半径减小；同族从上到下原子半径增大。

Na、Mg、Cl 同属第三周期，原子半径：Na > Mg > Cl。K 属于第四周期 IA 族，比 Na（第三周期 IA 族）多一层电子，原子半径更大。

四者中 K 的电子层数最多（4层），原子半径最大，选 C。

第2题【知识点：化合价的周期性变化】

硫（S）位于第 VIA 族，下列关于硫的化合价说法正确的是：

A. 硫只有 +6 价

B. 硫的最高正化合价为 +6，最低负化合价为 -2

C. 硫的最低负化合价为 -6

D. 硫没有负化合价

答案：B

S 位于第 VIA 族，最外层有 6 个电子：

最高正化合价 = 族序数 = +6（如 H₂SO₄ 中 S 为 +6）

最低负化合价 = 族序数 − 8 = $6 - 8 = -2$ （如 H₂S 中 S 为 -2）

A 说只有 +6 价错误；C 的 -6 价不存在；D 说没有负价也错误。选 B。

第3题【知识点：金属性的比较】

下列关于金属性强弱的判断，正确的是：

A. Na 与冷水剧烈反应，Mg 与冷水几乎不反应，因此 Na 的金属性强于 Mg

B. Mg 比 Al 的原子序数小，所以 Mg 的金属性弱于 Al

C. K 与水反应不如 Na 剧烈，所以 K 的金属性弱于 Na

D. 金属性越强，原子半径越小

答案：A

金属性强弱可通过与水（或稀酸）的反应剧烈程度来判断。Na 与冷水剧烈反应，Mg 与冷水几乎无反应，说明 Na 的金属性明显强于 Mg，A 正确。

B 错误：同周期从左到右金属性减弱，Mg（IIA 族）的金属性强于 Al（IIIA 族）。

C 错误：K 与水反应比 Na 更剧烈（K 在第四周期，原子半径更大，更易失去电子），K 的金属性强于 Na。

D 错误：金属性越强往往原子半径越大（同族从上到下），两者正相关，不是越小越强。

第4题【知识点：非金属氢化物稳定性】

下列氢化物中，稳定性最弱的是：

A. HF

B. HCl

C. HBr

D. HI

答案：D

F、Cl、Br、I 同属第 VIIA 族（卤族），从上到下非金属性依次减弱：

$\text{非金属性：F} > \text{Cl} > \text{Br} > \text{I}$

非金属性越弱，与氢的结合越不牢固，氢化物越不稳定。I 处于第五周期，非金属性最弱，HI 稳定性最差，受热容易分解，选 D。

计算题

第5题【知识点：由元素位置推断化合价与水化物性质】

已知 X 元素位于第三周期第 VA 族，Y 元素位于第三周期第 VIIA 族。

（1）分别写出 X 和 Y 的最外层电子数、最高正化合价和最低负化合价。

（2）写出 X 和 Y 最高价氧化物对应水化物的化学式，并判断它们各是酸还是碱。

（3）比较 X 与 Y 对应最高价水化物的酸性强弱，说明原因。

解题过程：

（1）根据族序数：

元素	族别	最外层电子数	最高正化合价	最低负化合价
X	第VA族	5	+5	$5-8=-3$
Y	第VIIA族	7	+7	$7-8=-1$

查元素周期表：X 为磷（P），Y 为氯（Cl）。

（2）最高价氧化物对应水化物：

$\text{X（磷）：} P_2O_5 \text{ 对应水化物为 } H_3PO_4 \quad \text{（磷酸，酸）}$

第6题【知识点：综合运用元素性质的周期性变化】

A、B、C 三种元素的部分信息如下表：

元素	所在周期	所在族
A	第二周期	IVA族
B	第三周期	IVA族
C	第三周期	VIIA族

（1）分别写出 A、B、C 的元素名称和符号。

（2）比较 A 和 B 的原子半径大小，说明原因。

（3）比较 B 和 C 的非金属性强弱，并写出 C 的最简单氢化物化学式。

（4）写出 A 的最高正化合价和最低负化合价。

解题过程：

（1）根据周期和族查元素周期表：

A：第二周期 IVA 族 → 碳（C）
B：第三周期 IVA 族 → 硅（Si）
C：第三周期 VIIA 族 → 氯（Cl）

（2）比较 A（C）和 B（Si）的原子半径：

A 和 B 同属 IVA 族，从上到下电子层数增多：A（碳）有2层，B（硅）有3层。

$\text{同族从上到下，原子半径增大}$

$\text{原子半径：C（碳，77 pm）} < \text{Si（硅，117 pm）}$

B 的原子半径大于 A，因为 Si 比 C 多一个电子层，最外层电子距离原子核更远。

（3）比较 B（Si）和 C（Cl）的非金属性：

B 和 C 同属第三周期，从左到右非金属性增强。Si 位于 IVA 族，Cl 位于 VIIA 族，Cl 在 Si 的右侧：

$\text{非金属性：Si} < \text{Cl}$

C（Cl）的最简单氢化物（最低价氢化物）为：

Δ

{Mg(OH)}_{2}

+

H_{2}

↑

\text{Mg} + \text{2H}_2\text{O} \xrightarrow{\Delta} \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2\uparrow

H

C

l

（氯化氢）

HCl \quad \text{（氯化氢）}

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