金属、非金属与类金属关键性质对比:导电性、延展性与物理状态
元素可分为金属、非金属、类金属(半金属)三大类。
金属:良导热导电,可锻(可压薄板)、可延(可拉丝)。室温下多为固态,具特征银白光泽(汞为液态例外)。
非金属:通常差导热导电,不延展不锻。元素非金属室温下多为气态,部分液态、固态。
类金属:性质中间态。物理上更似非金属,但特定条件下可导电(半导体),是计算机/电子器件核心材料。
多数周期表右侧以阶梯线分隔金属非金属。线左为金属(氢除外),右为非金属,线上为类金属。
元素成化合物时形成两大键型:离子键(电子转移生成带电离子,强静电引力)与共价键(共享电子成中性分子)。通常金属+非金属→离子化合物;非金属+非金属→共价化合物(分子)。
周期表中的金属
超 75% 元素为金属,集中于中左部。含碱金属、碱土金属、过渡金属、镧系、锕系。
延伸阅读: 金属及其分类
碱金属
第 1 族,最左列。质软、高活性、最外层 s 轨道 1 电子。六大碱金属:锂、钠、钾、铷、铯、钫。(原文误列云母锂矿为元素,已修正)
碱土金属
第 2 族。比碱金属硬/密,最外层 s 轨道 2 电子,焰色反应各异。六大:铍、镁、钙、锶、钡、镭。
过渡金属
周期表主体中央。称重金属,密度大于碱/碱土金属。共 38 种,含:钴、铜、天然铜、金、铁、汞、铂、银、钛、钨、锌等。
稀土金属
通常列于主表下方独立区,实属周期表中部。分镧系、锕系两亚族。
镧系金属
15 种镧系元素性质极近,难区分。如:铈、钷、钆、镝、镥。
锕系金属
15 种锕系,多不天然存在(极不稳定),核反应堆/粒子加速器合成。如:钍、铀、钚、锎、钔。
其他金属
主体右侧,又称半金属或后过渡金属。质软、熔点低。学界归属不一,8~14 种不等。如:铝、铋、铋晶体、铟、铅、锡。
金属性质
金属反应中失电子成正离子(氢除外),属正电性元素,低电离能。共性:光亮、高密度、高熔点、延展、可锻、光泽、导热导电优。室温固态(汞液态)。
金属通常与非金属成离子键(有例外)。多数成碱性氧化物,两性者存在。活性跨度大。特殊族群:贵金属(Ru、Rh、Pd、Pt、Au、Os、Ir、Ag)、难熔金属(Nb、Mo、Ta、W、Re)。
金属物理性质
- 可锻:固态可锤打薄片,金最强
- 可延:可拉丝,银最强之一
- 良导热导电
- 光泽:表面光亮,部分生成钝化膜失光
- 高抗拉强度:承重强
- 响声:敲击鸣响
- 硬度高:难切割
- 水溶液中失电子成阳离子
- 熔沸点通常高,但铯、镓、汞、铷、锡等低熔点例外;沸点多仍高
- 密度跨度大,总体>非金属。钨、铂、锇、金、铱极高密度
- 多银白,金/铯/铜有色
金属化学性质
正电性,与氧生成碱性/两性氧化物。其他:
- 正电性: 低电离能,反应中失电子(氧化),不易得电子。典型价态:
- 碱金属恒 +1 (失 s 电子)
- 碱土金属恒 +2 (失 s 电子对)
- 过渡金属无显性规律,+2 常见(失 s 电子对),+1/+3 亦见
Na⁰ → Na⁺ + e⁻
Mg⁰ → Mg²⁺ + 2e⁻
Al⁰ → Al³⁺ + 3e⁻
金属+非金属化合物倾向离子型。金属氧化物多为碱性,溶水成氢氧化物:
Na₂O(s) + H₂O(l) → 2NaOH(aq)
CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)
碱性氧化物与酸反应生成盐和水:
MgO(s) + HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)
NiO(s) + H₂SO₄(aq) → NiSO₄(aq) + H₂O(l)
金属在周期表中的位置
金属占 75%+,填满大部。左侧为金属,下方两行(镧系/锕系)全为金属。周期表中从硼(B, Z=5) 到钋(Po, Z=84) 的阶梯线左侧(除 Ge、Sb)均为金属。
金属用途
- 结构件
- 容器
- 导线/电器
- 散热器
- 镜面
- 硬币
- 珠宝
- 武器
- 营养元素(铁、铜、钴、镍、锌、钼)
周期表中的非金属
右上角。含非金属族、卤族、稀有气体。化学性质相近,区别于金属。
非金属分族
非金属元素族: H、C、N、O、P、S、Se。H 常温常压显非金属性,纳入非金属族。
卤族(第 17 族): -1 氧化态。上气下液固:F、Cl、Br、I、At。Ts 性质未明,可能卤素或类金属。
稀有气体(第 18 族): 惰性气体。He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn、Og。Og 室温可能非气态。
延伸阅读: 非金属详解
非金属性质
反应中得电子成阴离子,属负电性,高电离能。无光泽、脆、差导热导电(石墨除外)。可气/液/固态。
非金属物理性质
- 物理状态: 室温多为气(氧)固(碳)两态,仅溴为液态
- 不延展不锻: 极脆,不可拉丝锤片
- 导电导热差
- 无金属光泽
- 熔沸点机制: 金属熔沸需克服巨大离域电子静电引力(巨型晶格),故高熔沸点,近似离子化合物而非共价物质
- 7 种非金属标准态为双原子分子: H₂、N₂、O₂、F₂、Cl₂、Br₂(l)、I₂(s)
非金属化学性质
倾向得电子/共享电子,负电性。与金属反应得电子(达稀有气体构型)成阴离子:
3Br₂(l) + 2Al(s) → 2AlBr₃(s)
全非金属化合物为共价物。与氧生成酸性/中性氧化物,溶水成酸:
CO₂(g) + H₂O(l) → H₂CO₃(aq) 碳酸
非金属氧化物可与碱成盐:
CO₂(g) + 2NaOH(aq) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
非金属在周期表中的位置
最右侧(氢除外,左上角)。17/18 种:H、He、C、N、O、F、Ne、P、S、Cl、Ar、Se、Br、Kr、I、Xe、Rn。
非金属用途
无金属般通用性,但特定领域聚合:
- 生命必需(C、H、N、O、S、Cl、P)
- 化肥(H、N、P、S、Cl、Se)
- 制冷/低温(H、He、N、O、F、Ne)
- 工业酸(C、N、F、P、S、Cl)
- 激光/灯
- 医药
非金属成化合物极多,水/食品/织物/塑料/日用品无处不在。
金属 vs 非金属性质对比表
| 性质 | 金属 | 非金属 |
|---|---|---|
| 外观 | 光亮 | 暗淡 |
| 室温状态 | 固态(汞液态) | 约半固半气,溴液态 |
| 密度 | 大(手感重) | 小(手感轻) |
| 强度 | 高 | 低 |
| 可锻/脆性 | 可锻(弯不断) | 脆(锤碎) |
| 导热 | 良 | 差(绝热) |
| 导电 | 良 | 差(绝缘,石墨除外) |
| 磁性 | 仅 Fe/Co/Ni | 无 |
| 敲击声 | 清脆悦耳 | 沉闷 |
| 氧化物性质 | 碱性/碱性 | 酸性 |
周期表中的类金属
类金属(半金属)性质兼具金属非金属。定义涵盖 6~9 元素,沿金属非金属间斜线分布。
公认 6 大类金属:硼、硅、锗、砷、锑、碲。此外铋、钋、砹有时纳入。模糊源于缺乏统一定义特征,仅以“介于金属非金属间的混合性质”表征。结构上形成共价键晶体(非金属特征)。
典型应用:半导体器件(家电核心)。
类金属性质
性质介于金属非金属间。半导体工业核心材料。室温固态。可与金属成合金。硅、锗等特定条件下导电称半导体。硅如金属光泽但脆不延展(非金属特征)。导热导电远弱于金属。物理性质偏金属,化学性质偏非金属。氧化数随族位在 +5 至 -2 间变化。
| 金属 | 非金属 | 类金属 |
| 金 | 氧 | 硅 |
| 银 | 碳 | 硼 |
| 铜 | 氢 | 砷 |
| 铁 | 氮 | 锑 |
| 汞 | 硫 | 锗 |
| 锌 | 磷 |
类金属共性
- 电负性、电离能介于金属非金属间
- 兼具金属非金属特征
- 反应性取决于反应对象
- 优良半导体
- 可能呈金属光泽,同素异形体可呈非金属貌
- 通常脆性固体,极端条件下才非固态
- 化学反应表现为非金属(易成阴离子、多氧化态、共价键),可与金属成合金
类金属化学性质
化学性质量化仅在反应中(氧化、燃烧、变色、爆炸等):
- 氧化易生成气体
- 可与金属成合金
- 存在金属/非金属同素异形体
- 熔化时部分收缩
- 可与卤素反应成化合物
类金属在周期表中的位置
如前所述,类金属沿斜线分布于金属非金属间。跨度第 13 至 16/17/18 族(视类金属数目而定)。线左为金属,右为非金属。唯一例外:氢属非金属但位左侧。
周期表中六大类金属(从 B 起)标米色。第 6 周期有时含 Bi、Po、At。
延伸阅读: 类金属周期表位置
金属性与非金属性变化趋势
金属性最强于最左侧,向右递减(非金属性随电负性/电离能升增强)。同族自上而下金属性增强(电负性/电离能通常降低)。过渡金属不完全遵循此趋势。
金属