HSC 化学：元素的物理性质

现在有三块灰色固体，标签都被去掉了。其中一块是铝，一块是硅，另一块是硫。你不能通过让它们与任何物质发生反应来辨认它们。你只能观察它们、弯曲它们、测试它们是否导电，并比较其他物理性质。

你还能判断出哪一块是哪一种元素吗？

很可能可以。但真正有用的能力，并不是死记“金属有光泽”。很多物质都有光泽。真正重要的是综合多种物理性质，再利用该元素在元素周期表中的可能位置，检查你的分类是否合理。

01什么是物理性质？

物理性质是指在不把某种物质转变成另一种化学物质的情况下，可以观察或测量到的性质。

对于元素而言，有用的物理性质包括：

• 室温下的状态：固体、液体或气体
• 颜色和外观
• 光泽（lustre），即表面的光亮程度
• 导电性
• 导热性
• 延展性中的可锻性（malleability），即能否通过锤击或挤压改变成新的形状
• 延展性中的延性（ductility），即能否被拉成细丝
• 脆性
• 密度
• 熔点
• 沸点

假设你弯曲一根铜线。它仍然是铜，因此你研究的是一种物理性质。

如果你燃烧铜并形成一种新的铜化合物，那么你研究的就是化学行为。

这种区别很重要，因为物理性质可以让我们在不进行化学反应的情况下对物质进行分类。

02从元素周期表中的大致规律开始

在考虑各个具体性质之前，先在脑海中想象一下元素周期表。

大致规律是：

氢是一个重要的例外。由于它的电子排布，氢位于元素周期表左侧，但它属于非金属。

你可以把元素周期表想象成一张不同街区的地图。知道一个人住在哪个城区，并不能告诉你他的具体门牌号，但可以帮助你判断应该到哪里去找。同样，知道一种元素在元素周期表中的位置，可以让你对它的物理性质作出很有根据的初步预测。

不过，这个类比也只能到这里为止。元素并不是因为在元素周期表上被贴上了某个标签才具有相应性质。它们的性质来自其原子结构和化学键。

03对金属可以作出哪些预测？

想象一种未知元素：它有光泽，可以被压扁而不会碎裂，并且导电性很好。

在继续阅读之前，你会作出什么判断？

它很可能是一种金属。

之所以能够更有把握地得出这个结论，是因为三种不同的性质都指向同一个方向。

金属的典型物理性质

大多数金属：

• 室温下为固体
• 刚切开或抛光后具有光泽
• 是良好的导电体
• 是良好的导热体
• 具有可锻性
• 具有延性

许多金属的密度和熔点也相对较高，不过这些性质在不同金属之间差异很大。

金属能够导电的原因尤其重要。

在金属中，一部分最外层电子是离域的（delocalised）。它们并不固定属于某一个特定原子。当施加电势差时，这些带电粒子可以在金属结构中移动并传递电荷。

因此，与单独观察物质是否有光泽相比，导电性通常是一个更有力的判断依据。

但这个初步模型存在例外

“金属是固体”这一说法很有用，但并不完全正确。

汞，\(\ce{Hg}\)，在室温下是液体。

“金属具有高熔点”也过于简单。有些金属的熔点相对较低。

而“金属密度大”本身也不能作为可靠的判断标准。锂、钠和钾都是低密度金属。

更好的原则是：

应根据一组性质的整体规律来对元素进行分类，而不是孤立地依据某一种性质。

检查你的理解

一种未知元素呈银灰色，导电性很强，而且可以被锤成薄片而不会断裂。它最可能是金属、非金属还是类金属？

04非金属有什么不同？

现在考虑另一种未知元素。

它是一种脆性的固体。在普通条件下不导电。受到敲击时，它会碎裂，而不是被压扁。

你会作出什么判断？

最可能的答案是非金属。

非金属的典型物理性质

非金属通常：

• 导电性差
• 导热性差
• 固态时具有脆性
• 不具有可锻性
• 不具有延性

与金属相比，非金属在物理状态方面更加多样。

在室温下，非金属包括：

• 氧气，\(\ce{O2}\)，和氮气，\(\ce{N2}\)，等气体
• 碳，\(\ce{C}\)，和硫，\(\ce{S}\)，等固体
• 一种常见的液态元素–溴，\(\ce{Br2}\)

正因为具有这种多样性，仅凭“室温下的状态”不足以对一种元素进行分类。

一个很容易产生的误解：所有非金属都无光泽，而且都是绝缘体

这可以作为初学时的一个有用规律，但它并不是严格的规则。

石墨完全由碳组成，而碳是一种非金属，但石墨却能够导电。

为什么？

因为石墨中的碳原子以特定方式排列，使部分电子能够在结构中移动。

因此，一种物质能够导电，并不自动意味着它就是金属。你仍然需要把它的导电性与其他证据结合起来，并且在可能的情况下参考它在元素周期表中的位置。

检查你的理解

元素 X 是一种黄色、脆性的固体，并且导电性非常差。你预计它会位于元素周期表的什么位置？

05类金属位于分界线附近

金属与非金属之间的界限并不是完全清晰的。

在锯齿状分界线附近，有一些通常被归类为类金属的元素。它们同时具有一些与金属相关的性质和一些与非金属相关的性质。

对于 HSC Chemistry 来说，硅是最重要的例子。

硅：

• 室温下为固体
• 具有脆性，而不是可锻性
• 表面可以具有光泽
• 是一种半导体

在相同条件下，半导体的导电性比典型非金属好，但不如典型金属。它的导电性还可以被人为控制，这也是硅在电子技术中如此重要的原因之一。

这很好地说明了为什么外观有时会误导你。硅看起来可能像金属，但它的脆性和电学行为能够提供更完整的信息。

06如何利用元素在周期表中的位置预测性质

元素周期表的作用不仅仅是把金属和非金属区分开来。

元素的**金属性（metallic character）**存在一个总体趋势，也就是元素表现出金属特性的程度。

在同一周期中从左向右，金属性通常会降低。

在同一族中从上向下，金属性通常会增强。

因此，总体方向是：

• 越接近左下方：金属特性越明显
• 越接近右上方：非金属特性越明显

为什么会这样？

沿一个周期从左向右，原子核通常会更强烈地吸引最外层电子。这些电子变得更难被移除，因此元素表现出金属特性的倾向会降低。

沿一个族从上向下，最外层电子距离原子核更远，而且受到内层电子更强的屏蔽作用。一般而言，这些电子更容易被移除，因此更有利于表现出金属特性。

这可以很好地解释总体规律。但这并不意味着每一种物理性质都会在元素周期表的每一行和每一列中平滑地变化。

熔点、密度、硬度和导电性都取决于每一种元素具体的结构和成键方式，因此这些性质的变化趋势可能复杂得多。

07不要在不存在规律的地方强行寻找规律

学生有时学会了一种周期性规律后，就会试图把它套用到所有性质上。

例如：

“元素越靠左，熔点越高，因为它们的金属性更强。”

这并不是一个有效的普遍规律。

以第三周期为例。其中包括钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯和氩。这些元素的结构差异非常大。

有些形成巨型金属晶格。硅形成巨型共价网络结构。有些非金属则以小分子或单个原子的形式存在。

由于熔化过程取决于必须克服哪些作用力，因此这些元素的熔点并不会简单地随着金属性增强或减弱而一直上升或下降。

所以，可以利用元素在周期表中的位置预测大致分类和总体行为，但如果要详细解释某一种具体物理性质，就应该根据成键和结构进行分析。

检查你的理解

一名学生说：“硅在元素周期表中与铝很接近，所以它们的物理性质应该几乎相同。”

这种推理有什么问题？

09HSC 题目的实用判断方法

当一道题给出一些物理性质并要求你对一种元素进行分类时，可以按照以下顺序判断。

1. 检查导电性。 高导电性强烈支持金属分类。中等的半导体行为可能提示类金属。
2. 检查可锻性或脆性。 可锻性支持金属分类。脆性支持非金属或类金属分类。
3. 把外观作为辅助证据。 光泽很有用，但不能单独决定分类。
4. 检查室温下的状态。 这可以提供帮助，但要记住汞和溴这两个例外。
5. 利用元素周期表中的位置确认结论。 左侧和中部通常对应金属，锯齿状区域通常对应类金属，右上方通常对应非金属。
6. 在有必要时提及例外。 不要为了套用一个过度简化的规律，反而削弱原本有力的答案。

与单纯罗列背下来的性质相比，这种方法能够让你的答案更有说服力，因为你解释了这些性质之间是如何相互联系的。

10物理性质在分类之外同样有用

用于对元素进行分类的这些物理性质，也可以帮助你判断应如何分离不同物质。

沸点、溶解度、颗粒大小、磁性以及其他物理性质之间的差异，可以让我们在不一定发生化学变化的情况下分离混合物。如果你接下来要学习这一主题，请参阅 HSC Chemistry 中如何选择分离技术。

接下来重要的一步，是解释元素为什么具有这些物理性质。这样，你就能从单纯识别“铝能够导电”和“硅具有脆性”，进一步发展到利用金属键、共价结构、电子移动以及固体中原子的排列方式来解释这些观察结果。