走进元素世界：发掘5元素周期表中的非主流

有的元素化学性质活泼，有的懒惰，这取决于它核外价电子的数量。但是，活泼与懒惰并不绝对！

我们已经明白，化学反应是原子核外电子的迁移与相互作用，那么一种元素的化学活性就取决于电子迁移的难易，以及电子相互作用的强弱。

那么，在元素周期表中哪些元素的化学活性高，哪些元素的化学活性低呢？从区域上来说，除了最右侧的一列元素外，靠周期表两侧的元素活性都是比较高的。

第一主族（第IA族）元素是每一个周期开始的第一个元素，也就意味着在该族元素的最外电子层，也就是价电子层上都只有一个电子。最外层的这个孤电子非常活泼，为了达到稳定状态，在化学反应中，最外层的孤电子很容易丢失，从而形成稳定的离子，例如钠离子、铷离子等。

细心的你肯定注意到了，11号钠元素和37号铷元素虽然同处第一主族，但是两者的内层电子排布有很大的不同：钠元素的内电子层全部排满，铷元素则不是，第四层整体并没有排满，而是仅有4s、4p两个亚层排满，4d、4f两个亚层为空。其实，空和排满都是非常稳定的状态，故而钠元素和铷元素的内电子层都非常稳定。

相反，第七主族元素则处于一个周期即将结束的位置，该族元素原子的最外电子层，也就是价电子层的电子数都为7，只缺一个电子就可以达到稳定。

例如35号溴元素，拥有四个电子层，第一、二、三电子层都为排满状态，第四电子层的4s亚层也已经排满，只有4p亚层缺1个电子。此时溴原子也非常不稳定，倾向于在化学反应中夺取一个电子形成溴离子，从而使所有电子层都达到稳定状态。

如果我们仔细观察，就会发现铷离子和溴离子的电子排布竟然是一模一样的（均为36个电子），它们分别通过丢失1个电子和得到1个电子而达到了相同的稳定状态。

为什么铷离子和溴离子是稳定的呢？

我们再进一步剖析一下它们的电子排布方式。在铷离子和溴离子中，第一、二、三电子层完全排满，第四电子层的4s亚层和4p亚层也完全排满，而4d和4f亚层则完全为空。

大家肯定在这里会提出一个疑问，为什么不把4d和4f亚层也全部排满呢？排满之后不就更稳定了吗？这个想法听上去很有道理，不过现实中的电子排布则没有想象的那么简单。

从铷元素的电子排布中我们已经看到，当4s亚层和4p亚层完全排满后，下一个电子并不是排进4d亚层，而是直接排进了第五电子层的5s亚层，形成了一个孤电子，等到5s亚层被排满后再返回去排4d亚层，这个现象被称为电子轨道能级交错。背后的原因就是5s亚层的能级低于4d亚层，故而电子进入5s亚层需要的能量更低，从而更加稳定。

由于能级交错的原因，当每一个电子层的p亚层被电子占满后，新的电子就会被排入下一个电子层的s亚层中，从而开启了新的一个周期，故而p亚层被排满就成为一个周期结束的象征。除第一周期外（第一电子层没有p亚层），一个周期中元素的p亚层排满时，意味着元素的最外层电子都刚好达到8个，这种状态被称为八隅体，八隅体电子结构就是化学性质的稳定状态。

讲到这里，肯定有聪明的小朋友要开动脑筋了：有没有哪种元素不需要丢失或者夺取电子，天生就是八隅体的电子结构呢？

当然有！

这些元素就组成了周期表中的一列非常特殊的族群——惰性气体元素。

就在周期表的最右侧，我们就能看到七个带有气字头的元素排成一列，分别为2号氦元素（He）、10号氖元素（Ne）、18号氩元素（Ar）、36号氪元素（Kr）、54号氙元素（Xe）、86号氡元素（Rn）和118号元素（Og），除了氦元素外（位于第一周期，核外只有两个电子），其余元素的电子排布都为八隅体结构。八隅体是一种稳定的电子排布状态，所以这些元素就有一个共同的性质——化学惰性。

人们一度认为惰性气体元素就是完全惰性的，毫无化学活性可言，最外层的8个电子根本不会参与化学反应，故而认定惰性气体元素的价电子数为0个，而不是8个，所以这一族元素也被人们称为“0族元素”。(www.xing528.com)

惰性气体元素，顾名思义，在常温常压状态下，这些元素形成的物质都是以气体的形式存在，并且化学性质极其稳定。我们日常熟知的气体，如氧气（O₂）、氢气（H₂）、氮气（N₂）都是由两个原子形成的气体分子构成。而惰性气体不同，都是以单原子形式形成的气体。原因很简单，惰性气体元素不仅不容易与其他元素发生化学反应，就连自身原子之间也同样不发生化学反应。

惰性是非常有意义的化学性质。

例如氩气，在地球大气层的含量为0.93%，是二氧化碳含量（0.03%）的30多倍，是一种性价比极高、具有工业用途的惰性气体。

生活中使用的灯泡内部就充满了氩气，它的用途是作为保护气。灯泡在工作状态下，电流经过灯丝会释放大量热量，使灯丝的温度可以上升至2500℃以上。灯丝的主要成分是金属钨，在高温环境中会被空气中的氧气所氧化，从而被破坏。如果将灯泡内的空气用氩气代替，由于钨丝与氩气完全不发生化学反应，便可以极大地延长灯泡的使用寿命。除了制造灯泡，在金属焊接过程中，都会使用氩气作为焊接保护气，防止焊件被空气氧化或氮化。

再例如氦气，是唯一一种比空气还要轻的惰性气体。小朋友们一定非常喜欢气球，从前的气球是用地球上最轻的气体——氢气进行填充的，但是氢气易燃且容易发生爆炸，所以现在的气球一般都使用地球上第二轻的气体——氦气进行填充，由于氦气为惰性气体，就规避了所有危险。

当然，氦气不仅仅是作为气球的填充气体这么简单，它是制造潜水员使用的“人造空气”的重要原材料。

我们知道，空气中78%都是氮气，在压强较大的深海里，如果潜水员依然使用普通空气呼吸，氮气在血液中的溶解度会迅速上升。当潜水员从深海处回来气压逐渐恢复至常压时，溶解在血液里的氮气就会大量释放，形成气泡，这些气泡会对微血管起到阻塞作用，引起“气塞症”。而氦气在高压条件下的血液溶解度则小得多，如果用氦气和氧气的混合气体代替普通空气，就能避免“气塞症”的发生。

惰性气体的概念存在了将近200年，人们一直都有一个疑问：惰性气体真的是完全惰性的吗？前赴后继的科学家都在不断地尝试让这个沉默家族活跃起来。

在周期表中，随着电子层数的增多，元素原子的最外层电子距离原子核也越远，导致最外层电子的活动性逐渐增强，故而0族元素中，越靠下的元素化学活性就相对越高。所以，科学家们把打破惰性的突破口放在了最靠下的非放射性元素——氙元素的身上。

想让氙元素形成化合物，就需要将氙元素原子的最外层电子抢夺过来。20世纪60年代，人们利用氟元素和铂元素制得了一种超强氧化剂六氟化铂（PtF₆），科学家们用PtF₆与氙气（Xe）混合，在室温条件下就轻而易举地制得了一种橙黄色固体，这就是第一种惰性气体化合物——六氟合铂酸氙（XePtF₆），这个结果震惊了世界。

随后，氪元素的化合物二氟化氪（KrF₂），氩元素的化合物氟氩化氢（HArF）等一系列惰性气体化合物被相继制备出来。但是，越往上的元素，由于其原子电子层减少，电子所受到的约束越强，元素的“惰性”也越强，因此氖元素的稳定化合物至今还没有得到。

既然惰性气体元素与其他元素可以发生反应，预示着“惰性气体”这个名称也就不再合适。后来我们把惰性气体改称为“稀有气体”，惰性气体化合物改称为“稀有气体化合物”。当然“0族元素”的称谓也不攻自破，反而“第八主族”的概念则显得更加有科学道理。

稀有气体化合物中的氩、氪、氙等原子，虽然被强行夺去了电子，但依然十分希望再得到电子，回归稳定状态，故而稀有气体化合物都具有极强的氧化性。它们被用作火箭推进剂的高能氧化剂，为我国航天事业的发展不断做出贡献。

氖元素由于原子半径太小很难制得氖化合物，但是令人意外的是，比氖元素原子半径更小的氦元素却制得了化合物。

2017年，以中国科学家为首的科研团队，在110万个大气压的条件下，竟然合成了氦元素的化合物氦化钠（Na₂He），这个结果再次震惊了世界。从结构来看，氦元素居然在反应中夺取了钠元素的电子，那么就预示着，氦元素反应过后会增加一个电子层，这个结果完全不符合已有的化学理论。经过科学家细致的研究，他们认为氦化钠中氦原子并没有与钠原子进行化学反应形成化学键，并不存在电子的迁移，只是由于反应压力非常高，将氦原子压进了金属钠的晶体中并保持了稳定，故而形成了氦化钠。本质上来说，氦元素依然保持了惰性。但是氦化钠的合成让稀有气体元素更加充满神秘色彩。

例外的不只是氦元素。2006年，美国科学家与俄罗斯科学家合作，成功合成了目前周期表的最重元素——118号元素。按照电子排布规律，很自然地将它排进了稀有气体这一族。但是科学家经过理论计算发现，可能并不是气体，而很有可能是固体物质。这可有点麻烦，如果真的是这样，“稀有气体元素”这个称谓也就变得不准确，要被淘汰了。

所以，科学在发展，人类的一切认识都是暂时的和相对的。