金属、非金属与稀有气体Metals, Nonmetals, and Noble Gases

大思想 · 结构与性质(SAP)AP 科学实践 4 · 模型分析AP 衔接 · Unit 1约 25 分钟

学习目标

  • 把元素分为金属元素、非金属元素和稀有气体元素,说出它们在周期表中的大致位置
  • 比较金属单质和非金属单质的物理性质,知道汞、石墨这些例外
  • 说出稀有气体化学性质不活泼的原因和它们的主要用途

前置知识

  • 周期与族(1.4.2)
  • 物理性质与化学性质(1.2.4)

银白的铝箔,淡黄的硫粉

包巧克力的铝箔银白发亮,能折、能揉,还能导电;硫是淡黄色的粉末,一碰就碎,也不导电。周期表里的 118 种元素,按性质大致可以分成三类:金属元素、非金属元素和稀有气体元素。

三类元素

金属元素metal占了周期表中的大多数,有 90 多种。金属单质一般有金属光泽,能导电、导热,有延展性(能拉成丝、压成片);常温下除汞以外都是固体。

非金属元素nonmetal只有十几种,例如氢、碳、氮、氧、硫、氯。非金属单质大多没有金属光泽,一般不导电(石墨是例外),固态时比较脆;常温下有的是气体(氧气、氮气、氯气),有的是固体(碳、硫、磷),溴是液体。

稀有气体元素noble gas是 0 族的氦、氖、氩、氪、氙、氡。它们的单质都是气体,化学性质很不活泼,原因是原子的最外层已经是相对稳定结构(1.3.6 节)。它们的用途也和“不活泼”有关:

  • 氦气密度小,又不会燃烧,用来填充气球和飞艇;
  • 氖气在通电时发出红光,用来做霓虹灯;
  • 氩气用作焊接金属时的保护气,也充在灯泡里,防止灯丝被氧化。
金属单质非金属单质
光泽有金属光泽一般没有(石墨例外)
导电、导热好一般不导电(石墨能导电)
延展性能拉成丝、压成片固体很脆,一敲就碎
常温下的状态固体(汞是液体)气体、固体都有,溴是液体

在周期表中的位置

金属元素在周期表的左边和中间,非金属元素集中在右上角,稀有气体元素在最右边的 0 族。第 2、3 周期看得最清楚:锂、铍、钠、镁、铝是金属,硼、碳、氮、氧、氟、硅、磷、硫、氯是非金属,氖、氩是稀有气体。1.4.1 节学过的名称偏旁,和这里的分类正好对得上。

切换着色方式,看看三类元素各在哪里,哪些元素的单质在常温下是气体或液体:

动手试试:切换着色方式,再点元素看它的类别、常温状态和名称偏旁
着色:
金属元素 94 种非金属元素 17 种稀有气体元素 7 种
s 区:ns¹⁻²p 区:ns²np¹⁻⁶(He 为 1s²)d 区:(n−1)d¹⁻⁹ns¹⁻²(钯除外)ds 区:(n−1)d¹⁰ns¹⁻²f 区:镧系、锕系
固态 90 种液态 2 种气态 11 种状态未知 15 种

表格比较宽,可以左右滑动查看。

ⅠAⅡAⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅠBⅡBⅢAⅣAⅤAⅥAⅦA0Ⅷ123456757–71镧系89–103锕系镧系锕系

点表中任意一个元素。

下面有四瓶没贴标签的固体单质:铜、铝、硫和石墨。做几个实验,把它们认出来,并注意石墨和金属有哪些像、哪些不像:

动手试试:做实验收集证据,认出没贴标签的样品

点上面的按钮做实验,结果会记在这张表里。

例题 1:看名称判断类别和状态

判断下列元素的类别,以及它们的单质在常温下的状态:锂、硼、氟、溴、氪。

分步解析
  1. 锂。 “钅”字旁,金属元素,单质是固体。
  2. 硼。 “石”字旁,非金属元素,单质是固体。
  3. 氟。 “气”字头,非金属元素,单质是气体。
  4. 溴。 “氵”旁,非金属元素,单质是液体。
  5. 氪。 在 0 族,是稀有气体元素,单质是气体。

例题 2:石墨能导电,碳就是金属元素吗?

有同学说:“石墨能导电,还有金属光泽,所以碳是金属元素。”这种说法对吗?

分步解析
  1. 只看一种性质不够。 金属单质有一组共同的性质:金属光泽、导电导热、延展性。
  2. 石墨缺了延展性。 石墨一敲就碎,不能拉成丝、压成片。
  3. 看位置和名称。 碳在周期表右上方的 ⅣA 族,名称是“石”字旁,属于非金属元素。
  4. 结论。 说法不对。碳是非金属元素,石墨能导电是非金属中的一个例外。
练一练:下列单质在常温下是什么状态?
  1. 汞
  2. 溴
  3. 氮气
  4. 硫
  5. 氦气
  6. 铁
  7. 氯气
  8. 碘
  9. 钠

常见误区

误区 1:“能导电的单质都是金属。” 石墨能导电,但碳是非金属元素。判断金属要看一组性质,更要看元素在周期表中的位置。

误区 2:“金属在常温下都是固体。” 汞是金属,常温下却是液体,体温计里用的就是汞。

误区 3:“稀有气体不和任何物质反应,所以又叫惰性气体。” 稀有气体的化学性质很不活泼,但不是绝对不反应:科学家已经制得了氙的一些化合物。所以现在不叫“惰性气体”,而叫“稀有气体”。

即时小测

下列元素中,属于金属元素的是?

常温下呈液态的非金属单质是?

小结

  • 元素分为金属元素(大多数,在周期表左边和中间)、非金属元素(右上角)和稀有气体元素(0 族)。
  • 金属单质有金属光泽,能导电导热,有延展性,常温下除汞外都是固体;非金属单质一般不导电(石墨例外),固态时很脆,常温下有气、液、固三种状态。
  • 稀有气体的最外层是相对稳定结构,化学性质很不活泼,用作保护气、霓虹灯和填充气球。
通往 AP(以后再看)

英文教材常把周期表上金属和非金属分界线两侧的几种元素(硼、硅、锗、砷、锑、碲)单独叫做准金属(metalloid),它们的性质介于金属和非金属之间,硅就是重要的半导体材料。U1.7 会用原子结构解释为什么左下方的元素金属性强、右上方的元素非金属性强;U2.4 会用“金属键”解释金属为什么能导电、有延展性。

练一练这一章:模块 4 · 元素周期表 · 10 道题

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