HSC 化学：元素周期表中的物态趋势

氯是气体。溴在元素周期表中位于氯的正下方，是液体。碘则位于溴的正下方，是固体。

这是一个很值得思考的问题。这些元素全都属于第 17 族，而且化学行为相似，那么为甚么它们的物态不同？

继续阅读前，先作一个预测：沿第 17 族向下移动时，粒子彼此分离会变得更容易，还是更困难？

答案是更难分离。这一个概念就能解释卤素沿族向下由气体变成液体，再变成固体的规律，也让我们能理解元素周期表中的许多现象，而不必死记每一种元素的物态。

01物态是吸引力与热运动之间的竞争

物质中的粒子一直都在运动。温度较高时，它们具有较多热能，平均而言也会运动得更剧烈。

同时，粒子之间也可能互相吸引。

你可以把它想像成一场有点尴尬的聚会。热运动就像每个人都在房间里到处走动，而吸引力则像是让人们不断聚在一起的原因。

如果粒子之间的吸引力相对于粒子的热运动很弱，粒子就可以彼此大幅分开，物质便是气体。

如果吸引力足以让粒子保持接近，但又不足以把它们固定在某个位置，物质便可以是液体。

如果结构把粒子维持在固定位置，而粒子主要只是在这些位置附近振动，物质便是固体。

这个比喻当然有其限制。粒子不会作出决定，而且不同物质可能由非常不同类型的键结与吸引力维系。真正有用的是这种竞争关系：热能倾向使粒子彼此分开，而吸引作用则倾向使粒子维持在一起。

02所谓室温下的物态，其实取决于熔点与沸点

一种元素并不是永远固定为固体、液体或气体。它的物态取决于温度和压力。

在 HSC Chemistry 题目中，「室温」通常大约是 \(20^\circ\text{C}\) 至 \(25^\circ\text{C}\)，而压力接近大气压。

在固定压力下：

假设某元素的熔点是 \(10^\circ\text{C}\)，沸点是 \(80^\circ\text{C}\)。在 \(25^\circ\text{C}\) 时，

\[
10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C}
\]

所以它是液体。

这就是前面粒子模型更精确的说法。较强的吸引力通常需要更多能量才能克服，因此往往会使熔点或沸点较高。

元素周期表之所以有帮助，是因为元素的位置能提供有关其结构与键结的线索，进而帮助我们推论它的熔点与沸点。

03元素周期表中的整体趋势

大多数元素在室温下都是固体。

气体主要集中在元素周期表的右上方，另外还包括氢。大家熟悉、且在室温下呈液态的元素只有极少数。

一个有用的初步概览如下：

这是一种趋势，并不是一条让你不用思考就可以替整张元素周期表上色的定律。

例如，汞是金属，但在室温下是液体。镓和铯在 \(25^\circ\text{C}\) 时是固体，但两者的熔点都只比室温高一点。因此，在接近相变界线时，较温暖的环境确实可能影响物态。

更好的问题并不只是：「它是金属还是非金属？」

而应该问：

这种元素会形成甚么粒子或结构，而要把它们彼此分开有多困难？

04为甚么大多数金属都是固体

金属并不是由一个个独立的小型金属分子组成。它的原子形成延伸的金属结构。

在金属键模型中，带正电的金属离子与遍布晶格的离域电子互相吸引。要使金属熔化，就必须克服足够多的这些吸引作用，使粒子能够彼此滑过。

这通常需要高于室温的温度，因此大多数金属在 \(25^\circ\text{C}\) 时都是固体。

不过，不同金属之间也有重要差异。每种元素的金属键强度并不完全相同。原子大小、电荷、电子排列和晶体结构都会产生影响。

因此，「金属 = 固体」是一个有用的初步预测，但并不是精确规则。

汞是在室温下最著名的例外：它是液体。

05为甚么右上角有那么多气体

现在看看元素周期表的右上方。

数种非金属以小分子的形式存在：

• 氢，\(\ce{H2}\)
• 氮，\(\ce{N2}\)
• 氧，\(\ce{O2}\)
• 氟，\(\ce{F2}\)
• 氯，\(\ce{Cl2}\)

这些分子内部的共价键可以非常强。例如，氮的 \(\ce{N#N}\) 键绝对不弱。

但是，使氮沸腾并不需要我们打断每一条 \(\ce{N#N}\) 键。

这个区别非常重要。

当简单分子物质熔化或沸腾时，我们主要克服的是分子之间的分子间作用力。每个分子内部的共价键仍然保持完整。

小分子之间的伦敦色散力通常比较弱，因此许多这类元素的沸点远低于室温。它们在 \(25^\circ\text{C}\) 时是气体。

06卤素非常清楚地展示了这个趋势

看看第 17 族。

沿族向下移动时，熔点与沸点都明显上升。

为甚么？

每个分子都变得更大，而且含有更多电子。它的电子云变得更容易极化，也就是说，电子分布更容易受到扭曲。

这会产生较强的瞬时偶极，因此相邻分子之间的伦敦色散力也更强。

要把这些分子彼此分开，就需要更多能量。

所以在同样的 \(25^\circ\text{C}\) 下：

• 热能很容易让 \(\ce{Cl2}\) 分子彼此分开，因此氯以气体存在
• \(\ce{Br2}\) 分子彼此保持接近，但仍能移动，因此溴是液体
• \(\ce{I2}\) 分子之间的吸引力足够强，使碘维持为固体

07不要把原因归咎于分子内部的键

一个常见的解释是：

碘是固体，因为 \(\ce{I-I}\) 共价键比 \(\ce{Cl-Cl}\) 键更强。

这并不是解释物态趋势的正确原因。

使碘熔化并不需要打断每一条 \(\ce{I-I}\) 键。\(\ce{I2}\) 分子仍然维持为 \(\ce{I2}\)。

真正重要的变化是，分子获得足够能量，能够彼此滑过。我们克服的是分子间吸引力，而不是把分子拆成碘原子。

一个有用的考试习惯是问自己：

我是在把分子彼此分开，还是在打断分子内原子之间的键？

对简单分子物质的熔化和沸腾而言，通常是前者。

08氧和硫说明：同族位置并不能解释一切

氧和硫都属于第 16 族。

因此，你可能会预测它们有相似的物态。然而，氧在室温下是气体，而硫是固体。

部分原因与大小有关，但还有另一个重要细节：它们的元素单质分子大小并不相同。

氧通常以较小的 \(\ce{O2}\) 分子存在。一般的元素态硫在室温下则含有大得多的 \(\ce{S8}\) 分子。

一个 \(\ce{S8}\) 分子有更多电子，电子云也大得多。因此，它的伦敦色散力明显更强。

09稀有气体：原子变大，但仍然是气体

第 18 族也展示了一个清楚的趋势。

稀有气体以单独原子的形式存在，而不是分子。这些原子之间主要的吸引力是伦敦色散力。

从氦沿族向下到氙和氡：

• 原子变大
• 电子数增加
• 电子云变得更容易极化
• 色散力变强
• 沸点上升

那么，这是否表示氙在室温下应该是固体？

不是。

和氦或氖相比，氙的沸点的确已经升高，但仍远低于 \(25^\circ\text{C}\)。因此，室温仍然足以使氙保持为气体。

这是一个很有用的提醒。一项性质可以沿族向下增加，却仍未增加到足以跨越气体与液体，或液体与固体之间的界线。

10沿周期移动时，趋势并不平滑

人们很容易想找出一条简单的由左至右规则。

例如：

原子半径沿周期由左至右减小，因此元素应该逐渐由固体变成液体，再变成气体。

这种说法行不通，因为沿周期移动时，结构的类型也会改变。

看看第 3 周期中的一些元素：

• 钠、镁和铝具有金属结构，而且都是固体
• 矽具有巨型共价结构，是固体
• 磷和硫在室温下形成分子固体
• 氯形成小型 \(\ce{Cl2}\) 分子，是气体
• 氩是单原子物质，是气体

注意这里发生了甚么。我们并不是把同一类粒子逐渐变得愈来愈小。

我们从金属晶格变成巨型共价结构，再变成分子物质，最后变成单独原子。

这种结构上的变化影响非常大。

因此，并不存在一条可靠规则，可以说「向右移三格，物态就由固体变成气体」。你需要先判断每种元素形成的是哪一类物质。

11巨型共价结构又是另一种情况

碳和矽可用来与小分子非金属作另一个有用的对比。

在钻石中，每个碳原子都以共价键连接成一个巨型三维网状结构。矽也会形成巨型共价结构。

当中并不存在可以简单彼此远离的独立 \(\ce{C}\) 或 \(\ce{Si}\) 分子。

要熔化巨型共价物质，必须克服延伸结构中许多强共价键。这需要大量能量。

因此，这些物质在室温下是固体。

这也就是为甚么「非金属都是气体」这条规则完全行不通。有些非金属是气体，有些是分子固体，而碳则可以形成巨型共价固体。

结构才是关键。

12比死记元素周期表上的颜色更好的判断方法

当题目要求你运用元素周期表中的位置来讨论某元素可能具有的物态时，可以依次考虑以下问题。

1. 它是金属、非金属，还是很可能形成巨型共价结构的元素？
   大多数金属和巨型共价元素在室温下都是固体。

2. 如果它是分子型元素，其分子有多大？
   较大的电子云通常代表较高的可极化性和较强的色散力。

3. 你比较的是相似的结构吗？
   大小趋势在卤素或稀有气体这类同族系列中特别有用。如果一种物质是巨型共价网状结构，而另一种由独立原子组成，那么大小趋势的用途就小得多。

4. 如果题目提供熔点和沸点，就直接使用它们。
   不要用背下来的趋势取代实际数据。

5. 保持条件不变。
   所谓室温物态，是指在特定温度和压力下的状态，而不是元素永恒不变的性质。

13最值得记住的规律

你不需要死记 118 种元素各自的物态，也能回答大多数 HSC 题目。

记住以下规律即可：

• 大多数元素在室温下都是固体
• 大多数金属都是固体，而汞是大家熟悉的液态例外
• 氢虽然位于第 1 族上方，却是气体
• 氮、氧、氟和氯都是气体
• 稀有气体在室温下都是气体
• 溴在室温下是液体
• 对结构相近的分子物质或单原子物质而言，沿族向下，大小和可极化性增加，通常会使伦敦色散力增强
• 粒子之间较强的吸引力通常会造成较高的熔点和沸点
• 沿周期移动时，由于结构会改变，因此并不存在单一、平滑的物态规律

最重要的是，要透过结构与吸引力来解释规律，而不是把元素周期表当成一张用颜色分类、只能靠记忆的图表。

14问题与解答

问题 1

某元素在大气压下的熔点为 \(-12^\circ\text{C}\)，沸点为 \(47^\circ\text{C}\)。

它在 \(25^\circ\text{C}\) 时是甚么物态？解释你的推理。

解答 1

该元素在 \(25^\circ\text{C}\) 时是液体。

它的熔点低于室温，所以已经熔化。它的沸点高于室温，所以尚未沸腾。

相关比较为

\[
-12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}.
\]

由于 \(25^\circ\text{C}\) 位于熔点与沸点之间，因此在这些条件下稳定的物态是液体。

重要原则是，物态由温度相对于相变温度的位置决定，而不是把「固体」、「液体」或「气体」永久当作某元素的固定标签。

问题 2

氯在室温下是气体，而碘是固体。

一名学生解释这个差异时说：「\(\ce{I-I}\) 共价键比较强，所以碘分子不能彼此分开。」

指出这个解释的问题，并提出更好的解释。

解答 2

这个解释把焦点放在错误的相互作用上。室温物态主要取决于分子之间的作用力，而不是是否打断每个分子内部的共价键。

氯以 \(\ce{Cl2}\) 存在，而碘以 \(\ce{I2}\) 存在。

当氯沸腾或碘熔化时，双原子分子通常不会分解成个别原子。\(\ce{Cl-Cl}\) 或 \(\ce{I-I}\) 共价键仍然存在。

实际上，发生的是分子与相邻分子彼此分离。

\(\ce{I2}\) 分子比 \(\ce{Cl2}\) 含有更多电子，而且具有更大、更容易极化的电子云。这会使 \(\ce{I2}\) 分子之间产生较强的伦敦色散力。

因此，碘的熔点和沸点都高得多。在 \(25^\circ\text{C}\) 时，碘仍然是固体，而氯早已高于其沸点，因此是气体。

这道题的陷阱，是把分子内共价键与分子间作用力混为一谈。

问题 3

一名学生对第 3 周期作出以下预测：

「原子半径一般由左至右减小，所以元素的物态应该会平滑地由固体变成液体，再变成气体。」

解释为甚么这个预测并不可靠。请提及该周期中至少三种不同的元素结构。

解答 3

这个预测并不可靠，因为第 3 周期中的结构类型会发生改变，所以单凭原子大小不能决定物态。

在周期左侧，钠、镁和铝形成巨型金属结构。金属键遍及其晶格，而三者在室温下都是固体。

矽形成巨型共价结构。强共价键延伸遍及整个网状结构，因此矽也是固体。

再向右，磷、硫和氯形成分子物质。它们的物态强烈取决于分子之间的分子间作用力。氯具有较小的 \(\ce{Cl2}\) 分子，色散力相对较弱，因此在室温下是气体。

氩由独立原子组成，原子之间只有较弱的色散力，因此也是气体。

这名学生的错误，是假设沿周期只有一个变量在改变。实际上，键结和结构也同时改变，而这些变化对熔点和沸点行为的影响，可能比单纯的原子半径更大。

问题 4

以下是三种卤素的约略数据。

判断每种元素在 \(70^\circ\text{C}\) 时的物态。

一名学生注意到溴此时已不再是液体，于是声称正常的第 17 族物态趋势「失效了」。解释这个结论有甚么问题。

解答 4

在 \(70^\circ\text{C}\) 时，氯是气体，溴是气体，而碘是固体。这并不违反周期趋势。

对氯而言，

\[
70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C},
\]

所以温度高于其沸点。氯是气体。

对溴而言，

\[
70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C},
\]

所以溴也已高于其沸点，是气体。

对碘而言，

\[
70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C},
\]

所以碘仍低于其熔点，因此保持为固体。

第 17 族的趋势并没有消失。由于沿族向下分子间色散力增强，氯、溴、碘的熔点和沸点仍然明显依次上升。

改变的是观察时的温度。

在 \(25^\circ\text{C}\) 时，溴的温度位于其熔点与沸点之间，因此是液体。在 \(70^\circ\text{C}\) 时，同一物质的温度已高于其沸点，因此是气体。

这里的陷阱，是把「室温物态」当成元素在所有温度下都必须维持的固有状态。

问题 5

氙原子比矽原子重得多，而且含有更多电子。

因此，一名学生预测氙在室温下应该是固体，而矽应该是气体，理由是「电子愈多，色散力愈强」。

在不只是依靠背诵物态的情况下，解释为甚么这个预测是错误的。

解答 5

矽在室温下是固体，而氙是气体。这名学生的规则之所以失效，是因为两种元素的结构完全不同。

关于电子数量的说法包含一个有用的概念：在可比较的系列中，较大而且更容易极化的电子云可以产生较强的伦敦色散力。

例如，这个推理有助于解释为甚么氙的沸点高于较轻的稀有气体，例如氖。

但是，矽并不是主要靠独立矽粒子之间的伦敦色散力维系。

矽形成巨型共价网状结构。每个原子都以强共价键与其他原子连接，而这些键延伸遍及整个结构。因此，要使矽熔化，就必须提供足够能量以破坏许多强共价键。

氙则由彼此分离的原子组成。这些原子之间的吸引力是伦敦色散力。这些作用力沿第 18 族向下会变强，但仍然弱到使氙的沸点保持在室温以下。

这名学生隐含的错误假设，是认为「更多电子」可以直接用来比较键结方式完全不同的物质。

较安全的推理次序是：

先辨认结构，再辨认主要的吸引作用，最后才在可比较的结构之间运用大小和可极化性的趋势。

15这个概念为下一步学习奠定甚么基础

物态趋势其实是在引入一项更重要的 HSC Chemistry 技能：把结构、键结和分子间作用力与可量度的物理性质连结起来。

当你能够解释为甚么氯、溴和碘具有不同物态后，下一步就是解释它们实际的熔点和沸点趋势。同样的推理之后还可以延伸到更广泛的分子物质，包括解释为甚么有些化合物是容易挥发的气体、有些是液体，而另一些则形成高熔点固体。