豐富多彩的物質世界是由一百多種元素組成的，這些元素有著不同的性質，如有的元素活潑，可以與其他元素形成化合物，有的元素性質不活潑，不易與其他元素形成化合物，等等。面對這么多不同元素，我們只有找出他們在結構上的規(guī)律，才能更好認識他們。物質結構元素周期律楊金澤這張表揭示了物質世界的秘密，把一些看來似乎互不相關的元素統(tǒng)一起來，組成了一個完整的自然體系。它的發(fā)明，是近代化學史上的一個創(chuàng)舉，對于促進化學的發(fā)展，起了巨大的作用?？吹竭@張表，人們便會想到它的最早發(fā)明者——門捷列夫。1869年，俄國化學家門捷列夫按照相對原子質量由小到大排列，將化學性質相似的元素放在同一縱行，編制出第一張元素周期表。元素周期表揭示了化學元素之間的內在聯(lián)系，使其構成了一個完整的體系，成為化學發(fā)展史上的重要里程碑之一。隨著科學的發(fā)展，元素周期表中未知元素留下的空位先后被填滿。當原子結構的奧秘被發(fā)現時，編排依據由相對原子質量改為原子的質子數﹙核外電子數或核電荷數﹚，形成現行的元素周期表。元素周期表的由來人們對元素分類，可以追溯到上古時代我國的“五行”學說。即把元素假定為金木水火土五大類。到了18世紀，法國化學家拉瓦錫提出了把元素分為金屬、非金屬、氣體和土質四大類的觀點。根據原子量來研究元素，則是始于19世紀初。1829年，德國科學家德貝萊納提出了鋰鈉鉀、鈣鍶鋇、磷砷銻、氯溴碘等15種元素，他把這些元素稱為“三元素組”。1864年，德國化學家邁爾發(fā)表了《六元素表》，他把28種元素列在一張表上，表中各元素按原子量排列成序，并對元素進行了分族，且給尚未發(fā)現的元素留出了空位，比“三元素組”有了很大進步。1865年，英國人紐蘭茲又提出一個叫做“八音律”的理論。他把元素按原子量遞增的順序排列，第八種元素的性質幾乎和第一種元素的性質相同。這種像音樂中八度音似的“八音律”，進一步揭示了元素的性質和元素原子量之間的密切聯(lián)系。1869年2月，年僅35歲的俄國彼得堡大學化學教授門捷列夫，經過艱苦的努力，終于明確提出了：“元素的性質隨原子量的增加，呈周期性的變化?！辈堰@個規(guī)律定為“元素周期律”。接著，他又把元素按原子量由小到大分成幾個周期，并把原子量大的那一周期重疊在原子量小的周期下面。這樣性質相似的元素就落在同一縱行里，制成了“元素周期表”。門捷列夫在排周期表時，運用周期律，大膽地在周期表里留下許多空格，每個空格代表一種未發(fā)現的元素，并預言了這些元素的性質。后人陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現不少新元素，都無私地填在了門氏元素周期表的空格里。德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫，19世紀俄國化學家，他發(fā)現了元素周期律，（但是真正第一位發(fā)現元素周期律的是紐蘭茲，門捷列夫是后來經過總結，改進得出現在使用的元素周期律的），并就此發(fā)表了世界上第一份元素周期表。他的名著、伴隨著元素周期律而誕生的《化學原理》，被十九世紀后期和二十世紀初的國際化學界公認為標準著作，影響了一代又一代的化學家。為紀念這位偉大的科學家，1955年在加速器中獲得的新元素，以門捷列夫（Mendeleyev）的名字命名為鍆Mendelevium(Md)?！皼]有加倍的勤奮，就既沒有才能，也沒有天才！”——門捷列夫如是說。元素周期表中共有118種元素。表中一橫行稱為一個周期，一列稱為一個族（8、9、10縱行為一個族）。原子的核外電子排布和性質有明顯的規(guī)律性，科學家們是按原子序數遞增排列，將電子層數相同的元素放在同一行，將最外層電子數相同的元素放在同一列。元素周期表有7個周期，16個族。這7個周期又可分成短周期（1、2、3）、長周期（4、5、6、7*）。共有16個族，又分為7個主族（ⅠAⅡAⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA），7個副族（ⅠBⅡBⅢBⅣBⅤBⅥBⅦB），一個第Ⅷ族（包括三個縱行），一個零族。元素在周期表中的位置不僅反映了元素的原子結構，也顯示了元素性質的遞變規(guī)律和元素之間的內在聯(lián)系。使其構成了一個完整的體系。同一周期內，從左到右，元素核外電子層數相同，最外層電子數依次遞增，原子半徑遞減（零族元素除外）。失電子能力逐漸減弱，獲電子能力逐漸增強，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強。元素的最高正氧化數從左到右遞增（沒有正價的除外），最低負氧化數從左到右遞增（第一周期除外，第二周期的O、F元素除外）。同一族中，由上而下，最外層電子數相同，核外電子層數逐漸增多，原子序數遞增，元素金屬性遞增，非金屬性遞減。*：根據教科書是這么寫的，不過IUPAC并沒有承認第七周期一些元素按照元素在周期表中的順序給元素編號，得到原子序數。原子序數跟元素的原子結構有如下關系：質子數=原子序數=核外電子數=核電荷數堿金屬堿金屬是指在元素周期表中同屬一族的六個金屬元素：鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁。根據IUPAC最新的規(guī)定，堿金屬屬于元素周期表中的第1族元素。堿金屬均有一個屬于s軌道的最外層電子，因此這一族屬于元素周期表的s區(qū)。氫(H)在名義上屬于第1族，但顯現的化學性質和堿金屬相差甚遠，因此通常不被認為是堿金屬。堿金屬有很多相似的性質：它們都是銀白色的金屬（銫略帶金色光澤），密度小，熔點和沸點都比較低，標準狀況下有很高的反應活性；它們易失去一個電子形成帶+1電荷的陽離子；它們質地軟，可以用刀切開，露出銀白色的切面；由于和空氣中的氧氣反應，切面很快便失去光澤。由于堿金屬化學性質都很活潑，一般將它們放在礦物油中或封在稀有氣體中保存，以防止與空氣或水發(fā)生反應。在自然界中，堿金屬只在鹽中發(fā)現，從不以單質形式存在。

堿金屬都能和水發(fā)生激烈的反應，生成強堿性的氫氧化物，并隨相對原子質量增大反應能力越強。大多數堿金屬有多種用途。銣或銫的原子鐘是純堿金屬最著名的應用之一，其中以銫原子鐘最為精準。鈉化合物較為常見的一種用途是制作鈉燈，一種高效光源。鈉和鉀是生物體中的電解質，具有重要的生物學功能，屬于膳食礦物質。堿金屬與人體健康鋰離子：鋰在人腦有特殊作用，研究表明，鋰離子可以引起腎上腺素及神經末梢的胺量降低。鈉離子：人體液的滲透壓平衡主要通過鈉離子和氯離子進行調節(jié)，鈉離子的另一個重要作用是調節(jié)神經元軸突膜內外的電荷，鈉離子與鉀離子的濃度差變化是神經沖動傳遞的物質基礎，中國營養(yǎng)學會建議每人每日攝入不要超過5克鈉鹽。鉀離子：鉀也參與調節(jié)滲透壓與軸突膜內外的電荷，人體中心臟、肝臟、脾臟等器官中鉀比較富集。銣元素：銣元素的生理作用還在研究中，有多種跡象表明銣與生命過程有關，疑似為微量元素。鋰的天然存在堿土金屬堿土金屬指ⅡA族的所有元素，共計鈹（Be）、鎂（Mg)、鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）、鐳（Ra），堿土金屬在自然界均有存在，前五種含量相對較多，鐳為放射性元素，由居里夫婦在瀝青礦中發(fā)現。堿土金屬中除鈹外都是典型的金屬元素，氧化物中化合價為+2價，其單質為灰色至銀白色金屬，硬度比堿金屬略大，導電、導熱能力好，容易同空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化碳作用，在表面形成氧化物和碳酸鹽，失去光澤。堿土金屬的氧化物熔點較高，溶于水顯較強的堿性，。在自然界中，堿土金屬都以化合物的形式存在，鈣、鍶、鋇可用焰色反應鑒別。由于它們的性質很活潑，一般的只能用電解方法制取。物理性質：堿土金屬的單質為銀白色(鈹為灰色)固體。熔、沸點較同周期的堿金屬要高，硬度略大于堿金屬。堿土金屬的導電性和導熱性能較好?；瘜W性質：堿土金屬最外電子層上有兩個價電子，易失去而呈現+2價，是活潑性較強的金屬，能與大多數的非金屬反應，所生成的鹽多半很穩(wěn)定，遇熱不易分解，在室溫下也不發(fā)生水解反應。它們與其他元素化合時，一般生成離子型的化合物。但Be2+和Mg2+離子具有較小的離子半徑，在一定程度上容易形成共價化合物。鈣、鍶、鋇和鐳及其化合物的化學性質，隨著它們原子序數的遞增而有規(guī)律地變化。堿土金屬的離子為無色的，其鹽類大多是白色固體，和堿金屬的鹽不同，堿土金屬的鹽類(如硫酸鹽、碳酸鹽等)溶解度都比較小。堿土金屬在空氣中加熱時，發(fā)生燃燒，產生光耀奪目的火光，形成氧化物。堿土金屬在高溫火焰中燃燒產生的特征顏色（就是焰色反應），可用于這些元素的鑒定。與水作用時，放出氫氣，生成氫氧化物，堿性比堿金屬的氫氧化物弱，但鈣、鍶、鋇、鐳的氫氧化物仍屬強堿。鈹表面有致密的氧化膜，和水不反應；鎂能跟熱水反應；鈣、鍶和鋇易與冷水反應。鈣、鍶和鋇也能與氫氣反應。在空氣中，鎂表面生成一薄層氧化膜，這層氧化物致密而堅硬，對內部的鎂有保護作用，所以有抗腐蝕性能，可以保存在干燥的空氣里。鈣、鍶、鋇等更易被氧化，生成的氧化物疏松，內部的金屬會繼續(xù)被氧化，所以鈣、鍶、鋇等金屬要密封保存。單質的化學性質與氧氣反應：M+O2=MO與鹵素反應：M+X2=MX2與水反應：M+2H2O=M(OH)2+H2↑與酸反應：2H++M=M2++H2↑與不活潑金屬的可溶鹽反應：（略）稀有氣體稀有氣體或惰性氣體是指元素周期表上的0族。在常溫常壓下，它們都是無色無味的單原子氣體，很難進行化學反應。天然存在的稀有氣體有六種，即氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）?？諝庵屑s含0.94%的稀有氣體，其中絕大部分是氬氣。稀有氣體都是無色、無臭、無味的，微溶于水。稀有氣體的分子都是由單原子組成的，它們的熔點和沸點都很低，隨著原子量的增加，熔點和沸點增大。它們在低溫時都可以液化。稀有氣體的特性可以用現代的原子結構理論來解釋：它們的最外電子層的電子已“滿”（即已達成八隅體*狀態(tài)），所以它們非常穩(wěn)定，極少進行化學反應，至今只成功制備出幾百種稀有氣體化合物。經氣體液化和分餾方法可從空氣中獲得氖、氬、氪和氙，而氦氣通常提取自天然氣，氡氣則通常由鐳化合物經放射性衰變后分離出來。稀有氣體在工業(yè)方面主要應用在照明設備、焊接和太空探測。氦也會應用在深海潛水。如潛水深度大于55米，潛水員所用的壓縮空氣瓶內的氮要被氦代替，以避免氧中毒及氮麻醉的征狀。另一方面，由于氫氣非常不穩(wěn)定，容易燃燒和爆炸，現今的飛艇及氣球都采用氦氣替代氫氣?？諝馐侵迫∠∮袣怏w的主要原料，通過液態(tài)空氣分級蒸餾，可得稀有氣體混合物，再用活性炭低溫選擇吸附法，就可以將稀有氣體分離開來。*：原子最外層電子數為8時，達到相對穩(wěn)定結構，稱為八隅體。

隨著工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展，稀有氣體越來越廣泛地應用在工業(yè)、醫(yī)學、尖端科學技術以至日常生活里。利用稀有氣體極不活潑的化學性質，有的生產部門常用它們來作保護氣。例如，在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬，以及制造半導體晶體管的過程中，常用氬作保護氣。原子能反應堆的核燃料钚，在空氣里也會迅速氧化，也需要在氬氣保護下進行機械加工。電燈泡里充氬氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化，以延長燈泡的使用壽命。稀有氣體通電時會發(fā)光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的（霓虹燈的英文原意是“氖燈”）。氖燈射出的紅光，在空氣里透射力很強，可以穿過濃霧。因此，氖燈常用在機場、港口、水陸交通線的燈標上。燈管里充入氬氣或氦氣，通電時分別發(fā)出淺藍色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體（也有三種或兩種的）的混合物。由于各種氣體的相對含量不伺，便制得五光十色的各種霓虹燈。人們常用的熒光燈，是在燈管里充入少量水銀和氬氣，并在內壁涂熒光物質（如鹵磷酸鈣）而制成的。通電時，管內因水銀蒸氣放電而產生紫外線，激發(fā)熒光物質，使它發(fā)出近似日光的可見光，所以又叫做日光燈。氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體，可以代替氫氣裝在飛艇里，不會著火和發(fā)生爆炸。液態(tài)氦的沸點為-269℃，是所有氣體中最難液化的，利用液態(tài)氦可獲得接近絕對零度（-273.15℃）的超低溫。氦氣還用來代替氮氣作人造空氣，供探海潛水員呼吸，因為在壓強較大的深海里，用普通空氣呼吸，會有較多的氮氣溶解在血液里。當潛水員從深海處上升，體內逐漸恢復常壓時，溶解在血液里的氮氣要放出來形成氣泡，對微血管起阻塞作用，引起“氣塞癥”。氦氣在血液里的溶解度比氮氣小得多，用氦跟氧的混合氣體（人造空氣）代替普通空氣，就不會發(fā)生上述現象。溫度在2.2K以上的液氦是一種正常液態(tài)，具有一般液體的通性。溫度在2.2K以下的液氦則是一種超流體，具有許多反常的性質。例如具有超導性、低粘滯性等。氪能吸收X射線，可用作X射線工作時的遮光材料。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術方面。氙能溶于細胞質的油脂里，引起細胞的麻醉和膨脹，從而使神經末梢作用暫時停止。人們曾試用80%氙和20%氧組成的混合氣體，作為無副作用的麻醉劑。在原子能工業(yè)上，氙可以用來檢驗高速粒子、粒子、介子等的存在。氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。氡是自然界唯一的天然放射性氣體，氡在作用于人體的同時會很快衰變成人體能吸收的氡子體，進入人體的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，誘發(fā)肺癌。一般在劣質裝修材料中的釷雜質會衰變釋放氡氣體，從而對人體造成傷害。體外輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體后產生一種生物效果，會對人體內的造血器官、神經系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和消化系統(tǒng)造成損傷。然而，氡也有著它的用途，將鈹粉和氡密封在管子內，氡衰變時放出的α粒子與鈹原子核進行核反應，產生的中子可用作實驗室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑，用于檢測管道泄漏和研究氣體運動。稀有氣體在許多場合中用于提供惰性氣氛。氬在化學合成時常用于保護對氮氣敏感的化合物。固態(tài)氬也用于研究反應中間體等非常不穩(wěn)定的化合物，方法是在超低溫下將其隔離在固態(tài)氬構成的基質中。氦是氣相色譜法中的載色劑、溫度計的填充氣，并用于蓋革計數器和氣泡室等輻射測量設備中。氦和氬都用作焊接電弧的保護氣和賤金屬的焊