师：好，同学们，大家好。今天我们一起来探讨元素综合推断。说到元素，就会想到元素周期表。这是门捷列夫发表的第一张元素周期表，到2019年正好是150周年，全世界都在为其庆祝。像《Nature》《Science》等期刊利用封面并发表多篇文章庆祝。有文章写道，门捷列夫元素周期表成功的原因之一，是为未发现元素预留空白，并预测了这些元素的性质。这是翻译版的元素周期表，这是教材后面附有的中规中矩的元素周期表，不同教材颜色有所不同。欧洲化学学会在此时发表了一张极具个性的元素周期表，它以扭曲方式显示全球90种自然元素的相对丰富和稀缺储量。绿色标记储量丰富的元素，其中氧最丰富；橙色标记面临枯竭危险的元素，比如氢，它本是宇宙中第二丰富的元素，如今制造手机和电脑触屏的某元素因储量仅够再用20年而濒危。所以，今天我们有必要对元素周期表及元素间关系进行再认识。

　　首先，元素周期表的结构是怎样的？其次，元素周期表和原子结构存在哪些关系？元素周期表和元素性质又存在哪些关系？通过元素周期表可以寻找哪些相似材料的元素？

　　第一个问题，元素周期表的结构。这是一张空白元素周期表，整个框架由周期和族构成，可看作二维坐标，纵坐标为周期，横坐标为族。周期分为七个，其中1、2、3周期称为短周期，4、5、6周期称为长周期，第七周期又称为不完全周期。族分为16个，罗马数字排序为1、2、3、4、5、6、7、8、1、2、3、4、5、6、7、0，包含七个主族、七个副族、一个第八族和一个0族。其中第八族包含三个纵行，副族和第八族属于过渡元素。整个元素周期表框架可概括为：周期三短四长含一不完全，族七主七副Ⅷ和0。

　　元素周期表中元素按原子序数递增顺序排列。下面请同学判断116号元素在周期表中的位置。通过原子序数推断周期表位置，需清楚零族元素原子序数。原子序数之间有规律，第一、二周期相差8，第二、三周期相差8，第三、四周期相差18，第四、五周期相差18，第五、六周期相差32，若第七周期有0族元素，也应相差32，即118。116介于86和118之间，所以位于第七周期，与118相差2，是第六主族。116号元素在周期表中的位置是第七周期第六主族。我们重点关注短周期元素，请同学们判断在周期表中位置特殊的短周期元素。主族序数等于周期序数的短周期元素有第一周期第一主族的氢、第二周期第二主族的铍、第三周期第三主族的铝。主族序数等于周期序数两倍的短周期元素有碳、硫；3倍的短周期元素是氧。周期序数是主族序数两倍的短周期元素是锂；周期序数是主族序数3倍的短周期元素是第三周期第一主族的钠。原子序数、周期序数、主族序数相等的短周期元素是氢。

　　第二个问题，元素周期表和原子结构的关系。来看这道题，它考察了原子的构成。原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成。这道题考察构成原子的三种微粒之间的两大关系，一是质量关系，二是电量关系。某阴离子核外有x个电子，该原子质子数是x - m个，加上n个中子就是它的质量数。再看这个小题，考察核外电子排布。描述核外电子运动状态涉及三个方面：电子层、原子轨道、电子自旋。其中原子轨道涉及电子亚层和伸展方向。排布时遵循三大原理：能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。能量最低原理是按能量构造图，按轨道能量顺序排列；泡利不相容原理指每个原子轨道最多容纳两个自旋状态相反的电子；洪特规则是在能量相同的轨道上排布时，电子尽可能分占不同原子轨道，且在同一电子亚层全满、半满、全空时较稳定。

　　按照原子的核外电子排布，总结出核外电子排布规律：一是分层排布；二是每一电子层最多容纳电子数为2n2个；三是最外层不得超过8个，若为第一层（K层）则为2个，次外层不得超过18个，倒数第三层不得超过32个。稀有气体最外层已填满，属于稳定电子层结构。

　　再看这个小题，L层电子数是M层电子数的4倍，即L层排满为8个，M层就是2个电子，所以a元素是镁元素；同理，b元素是氧元素。请同学们推断原子结构具有特殊性的短周期元素。最外层电子数等于次外层电子数的元素有铍和氩；最外层电子数是次外层电子数两倍的是碳，3倍的是氧，4倍的是氖。次外层电子数是最外层电子数两倍的元素有锂和硅；次外层电子数是最外层电子数4倍的元素是镁。内层电子总数是最外层电子数两倍的元素有锂和磷。电子总数是最外层电子数两倍的元素是铍。原子核内无中子的原子是氢 - 1这个核素。原子结构包含质子数、最外层电子数、电子层数。周期表中主族元素包含原子序数、主族数、周期数，它们的关系是：质子数等于原子序数，最外层电子数等于主族数，电子层数等于周期数。知道原子结构可推断元素在周期表中的位置，反之，根据元素在周期表中的位置可得知原子结构。下面看两个小题。

　　具有与氩原子相同电子层结构的离子，阳离子在氩原子所在周期的下一周期左边，阴离子与氩原子处在同一周期右边。根据所带电荷数，可判断a在b左边，c在d左边，所以可推出钾、钙、硫、氯五种元素原子序数依次增大。

　　b、c、d同周期，a、d同主族，a、c同主族，这样可表示出在周期表中的位置。a原子最外层电子数为最内层电子数的3倍，可能是氧或硫；c原子内层电子总数为最外层电子数的两倍，这里只可能是磷，不可能是其他元素。由此可推出d是硫，a是氧，与c同一主族的e是硒元素。b在同周期主族元素中最外层电子数最少，是钠元素。这是周期表的一部分，可称为残表。看题目，根据这四种元素位置可判断它们所属第二和第三周期。这四种元素原子最外层电子数之和为21，设y最外层电子数为a，那么w、x、z相应最外层电子数为a + 2、a + 3、a + 4，之和为21，可算出a = 3。所以y是铝元素，w是氮元素，x是氧元素，z是氯元素。

　　第三个问题，元素周期表和元素性质的关系。首先，元素性质包含非金属性、电负性、第一电离能、原子半径、化合价，主族元素一般指最高正价和最低负价。元素性质随核外电子排布呈周期性变化，即元素周期律。来看这些元素性质的递变规律。

　　非金属性从周期表左往右依次增强，从上到下依次减弱；金属性与之相反。电负性与非金属性相似；第一电离能从左往右依次增大，从上到下依次减小。原子半径从左往右依次减小，从上往下依次增大。最高正价和最低负价从左往右依次增大，因为同主族最外层电子数相同，所以最高正价和最低负价基本相同。这是一般规律，中间会有反常情况。

　　元素性质按周期性变化排成元素周期表，它们的关系是同位置化学性质相同，左右存在递变，上下除递变外还有相似性，即相似递变。请同学们推断短周期元素中性质特殊的元素。原子半径最大的是钠元素，最小的是氢元素。金属性最强，即电负性最小的元素是钠元素；非金属性最强，电负性最大的元素是氟元素。最高价氧化物对应的水化物酸性最强的元素，注意氟无正价，应是氯元素。短周期中最高价氧化物对应水化物碱性最强的元素是钠元素。短周期元素中最高正价是最低负价绝对值3倍的元素是硫元素，最高正价 + 6价，最低负价 - 2价。最高正价与最低负价绝对值之差为0的元素是碳元素和硅元素。最高正价不等于族序数的有氧和氟元素，氧无最高正价，氟无正价。