主條目：元素周期律
核外電子排布
編輯
主條目：電子排布
核外電子層與亞層隨原子序數增加而排布的大致次序。該次序依照能量遞增的順序，利用馬德隆規則確定。
周期表中的性質變化趨勢（沿箭頭指示方向遞增）
電中性原子的核外電子排布情況隨原子序數的增長展現出一種不斷復現的規律（即所謂「周期」）。核外電子可以占據不同的電子層（以數字標識），每個層又包含一系列亞層（以字母s、p、d、f、g等標識）。隨原子序數遞增，電子依照構造原理（即馬德隆規則，或稱能量遞增原理）逐步填入各電子層與亞層中，順序如左圖所示。以氖元素為例，其核外電子構型為1s2 2s2 2p6。其10個核外電子中，兩個最先填入第1層，而剩餘八個填入第二層。這其中，2個填入2s亞層，6個則填入2p亞層。在周期表中，一旦電子填入了一個此前從未填充過的新電子層，該元素就將作為一個新周期的起始元素而出現。目前這些起始元素包括氫和所有鹼金屬。[33][34]
由於元素性質基本由核外電子的排布情況決定，因而元素的性質也隨原子序數增長而體現出某種周期性。典型的例子是原子半徑、電離能和電子親和能。實際上，元素周期律的提出和周期表的發明，就是基於對這些周期性規律的觀察和整理，因為彼時尚未出現與此相關的理論解釋。[33][34]
原子半徑
編輯
主條目：原子半徑
原子半徑對原子序數作圖。[e]
不同元素的原子半徑可以利用周期表加以預測和解釋。通常而言，沿周期方向，自左向右，原子半徑依次遞減，而沿着族的方向，自上而下，原子半徑逐漸增大。從上一個周期的稀有氣體到下一周期的鹼金屬，原子半徑會突然增大。這些變化與其它的理化性質變化趨勢一樣，都可以用電子殼層填充理論解釋。它們也為量子力學理論提供了重要的支持。[35]
在鑭系元素中，4f亞層的價電子自左向右逐步增加，但它們對於同步增加的核電荷的屏蔽效果不良。因此，原子核對於鑭系元素外層電子的吸引力較強，導致鑭系元素的原子半徑偏小，即所謂的鑭系收縮。受此影響，鑭系後面的元素也有較小的原子半徑。[36]因此，鉿的原子半徑基本和鋯相同，鉭與鈮的半徑也相近，其後的元素依此類推。鑭系收縮的影響一直波及到鉑元素，此後才被惰性電子對效應（一種相對論效應）所掩蓋。[37]另外，和鑭系收縮類似，d區元素也存在着收縮效應，只不過強度更弱，它是d亞層電子對外側的p電子屏蔽不完全導致的。[36]
電離能
編輯
圖示為電離能的變化趨勢：每個周期自左向右，電離能逐漸增大。鹼金屬最小，稀有氣體最大。
主條目：電離能
「第一電離能」是指從原子中移走一個電子所需要的能量，「第二電離能」是在此基礎上移走第二個電子所需的能量，依此類推。對於同一個原子，各級電離能隨着離子化程度的增加而增大，例如鎂的第一電離能是738 kJ/mol，第二電離能為1450 kJ/mol。粗略地講，這是因為越靠內的電子受到的靜電吸引作用越強，移走它所需要的能量因此也越大。一般地，越靠近周期表右端，電離能也相應地越大。[37]
當一個離子已經達到稀有氣體電子排布時，移走下一個電子的電離能將突然上升。仍以鎂元素為例，移走兩個3s電子後，鎂離子已經具有氖的電子排布，在此基礎上移走下一個2p電子相當困難，因而第三電離能將明顯高於前兩級電離能，高達7730 kJ/mol。第三周期的其它元素中也可見這種現象。[37]
電負性
編輯
主條目：電負性
圖示同族元素電負性隨原子序數增大而減小的趨勢。每條折線對應一個特定的族。
一個原子吸引共用電子對的能力稱作電負性。[38]原子的電負性與該原子的原子序數有關，同時也受價電子與核距離的影響。電負性越大，原子吸引電子（對）的能力越強。這個指標是萊納斯·鮑林於1932年提出的。[39]一般來說，在元素周期表中，自左向右，電負性依次遞增；自上而下，電負性依次遞減。因而，在電負性已知的元素中，靠近右上角的氟元素電負性最高，左下角的銫元素電負性最低[22][f]。
需要注意的是，上述規則有幾個例外。受d區收縮的影響（參見「原子半徑」一節），鎵和鍺的電負性分別高於它們上方的鋁和硅。第四周期過渡金屬的前幾個元素電負性上升得比較快，這是由3d電子對核電荷的屏蔽不完全，導致這幾個元素的原子半徑較小而引發的。[22]
元素的電負性會因為失去電子而增加。[40]這有時會造成很大的差別，例如+2氧化態的鉛的電負性為1.87，而+4氧化態的鉛則達到了2.33。[41]
電子親和能
編輯
主條目：電子親合能
電子親和能隨原子序數的變化趨勢。[42]一般而言，同一周期中，直到鹵族元素以前，電子親和能都呈增加趨勢，到稀有氣體時又急速下降。第1族（I A族）、第11族元素（I B族）處的局部極大值是由於s亞層將要填滿而產生的（金元素的6s亞層尤甚：完全填滿的4f亞層對其有進一步的穩定作用）。 鹼土金屬、氮、磷、錳、錸等處的極小值則受相反的原因影響：這些元素的s亞層（或p亞層/d亞層）已經處於全充滿或半滿狀態，因此對新電子的吸引能力減弱。[43]
原子的電子親和能是指向電中性的原子上加入一個電子，使之形成陰離子時釋放的能量。不同元素電子親和能的變化範圍較大，不過其中仍有跡可循。一般而言，非金屬的電子親和能高於金屬元素，其中氯元素的電子親和能最大。關於稀有氣體的電子親和能尚無定論，因此其電子親和能可能是負的（儘管絕對值很小），也可能不是。[44]
大體上講，沿同一周期自左向右，電子親和能逐漸上升。由于越靠右端，原子的電子殼層填充得越滿，因而向其中加入一個電子後，陰離子的結構越接近穩定的閉殼層，電子親和能也相應地越高。[44]
沿同一族自上而下，電子親和能大體是逐漸下降的，因為新加入的電子離原子核越來越遠，受到的吸引越來越弱，因而釋放的能量也越來越少。不過實際上完全符合這個規律的只有第1族（I A族）——整個周期表約三分之一的元素不符合這個規律，即其電子親和能高於上方緊鄰的元素，這些例外多數情況下和d及f亞層的屏蔽效果不完全有關。[45]
金屬性
編輯
電離能，電負性和電子親和力值越低，元素的金屬性越強，非金屬性越弱。[46]鑑於這三種性質的周期性，金屬性往往會在一周期（行）中由左至右遞減（很多例外是由d和f亞層上的電子對原子核的不良屏蔽效果或者相對論效應導致），[47]並且通常在一族（列）中由上至下遞增。因此，大多數金屬元素（如銫和鈁）位於傳統元素周期表的左下角，非金屬元素（如氧，氟，氯）則位於右上角。金屬性在元素周期表中的水平和垂直趨勢組合解釋了在一些周期表中發現的金屬和非金屬之間的階梯形分界線，以及有時將與該線相鄰的幾個元素和與這些元素相鄰的元素分類為類金屬的做法。[48][49]
橋接元素族的特點
編輯
氫（非金屬）
氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬）
鈹（鹼土金屬）
硼（類金屬）
碳（非金屬）
氮（非金屬）
氧（非金屬）
氟（鹵素）
氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬）
鎂（鹼土金屬）
鋁（貧金屬）
矽（類金屬）
磷（非金屬）
硫（非金屬）
氯（鹵素）
氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬）
鈣（鹼土金屬）
鈧（過渡金屬）
鈦（過渡金屬）
釩（過渡金屬）
鉻（過渡金屬）
錳（過渡金屬）
鐵（過渡金屬）
鈷（過渡金屬）
鎳（過渡金屬）
銅（過渡金屬）
鋅（過渡金屬）
鎵（貧金屬）
鍺（類金屬）
砷（類金屬）
硒（非金屬）
溴（鹵素）
氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬）
鍶（鹼土金屬）
釔（過渡金屬）
鋯（過渡金屬）
鈮（過渡金屬）
鉬（過渡金屬）
鎝（過渡金屬）
釕（過渡金屬）
銠（過渡金屬）
鈀（過渡金屬）
銀（過渡金屬）
鎘（過渡金屬）
銦（貧金屬）
錫（貧金屬）
銻（類金屬）
碲（類金屬）
碘（鹵素）
氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬）
鋇（鹼土金屬）
鑭（鑭系元素）
鈰（鑭系元素）
鐠（鑭系元素）
釹（鑭系元素）
鉕（鑭系元素）
釤（鑭系元素）
銪（鑭系元素）
釓（鑭系元素）
鋱（鑭系元素）
鏑（鑭系元素）
鈥（鑭系元素）
鉺（鑭系元素）
銩（鑭系元素）
鐿（鑭系元素）
鎦（鑭系元素）
鉿（過渡金屬）
鉭（過渡金屬）
鎢（過渡金屬）
錸（過渡金屬）
鋨（過渡金屬）
銥（過渡金屬）
鉑（過渡金屬）
金（過渡金屬）
汞（過渡金屬）
鉈（貧金屬）
鉛（貧金屬）
鉍（貧金屬）
釙（貧金屬）
砈（類金屬）
氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬）
鐳（鹼土金屬）
錒（錒系元素）
釷（錒系元素）
鏷（錒系元素）
鈾（錒系元素）
錼（錒系元素）
鈽（錒系元素）
鋂（錒系元素）
鋦（錒系元素）
鉳（錒系元素）
鉲（錒系元素）
鑀（錒系元素）
鐨（錒系元素）
鍆（錒系元素）
鍩（錒系元素）
鐒（錒系元素）
鑪（過渡金屬）
𨧀（過渡金屬）
𨭎（過渡金屬）
𨨏（過渡金屬）
𨭆（過渡金屬）
䥑（預測為過渡金屬）
鐽（預測為過渡金屬）
錀（預測為過渡金屬）
鎶（過渡金屬）
鉨（預測為貧金屬）
鈇（貧金屬）
鏌（預測為貧金屬）
鉝（預測為貧金屬）
鿬（預測為鹵素）
鿫（預測為惰性氣體）
元素周期表從左到右的黑框表示出出了第3族、镏和鐒、第11-12族以及稀有氣體
橋接元素位於區與區之間。[50]這些族的元素，比如非金屬，具有臨近族元素的混合特徵。從化學性質上看，第3族元素、鈧、釔、鑭、錒都表現出了類似鹼土金屬[51]（也即s區金屬[52][53]）的性質，但同時也具有d區過渡金屬的物理性質。[54]位於f區末尾的镏在化學性質上的表現接近於鑭，但在物理性質上綜合了鑭與過渡金屬的特點。[55][56]作為镏類似物的鐒也可能會有類似的表現。[g]第11族裡的造幣金屬（銅、銀和金）在化學性質上的表現能等同於過渡金屬或主族金屬。[59]第12族裡的不定性金屬，如鋅、鎘、汞等有時被看作是d區到p區元素的橋接，它們表面上是d區元素，但幾乎不具有過渡金屬性質，而是更接近於相鄰第13族的p區元素。[60][61]第18族的惰性稀有氣體橋接着最活潑的第17族鹵素元素與第1族的強鹼金屬。[50]
周期性的進一步表現
編輯
在整個周期表中，不屬於同一族的元素之間還有一些其它關係，例如對角相鄰的元素（例如鋰和鎂）之間的對角線關係。[62]當元素具有相同的價電子數時，在主族和過渡金屬之間，或早期錒系元素和早期過渡金屬之間也可以發現一些相似之處。因此鈾有點類似於6族元素中的鉻和鎢，[62]因為它們都有6個價電子。[63]
每個區塊的第一行往往表現出與其他行截然不同的屬性，因為每個區塊的第一個軌道（1s、2p、3d、4f、5g等）都比預期的要小得多。[64] 這種異常在s區塊中最強，在p區塊中中等，在d區塊和f區塊中不明顯。[62]除了s區塊以外，其它區塊的周期之間也存在奇偶差異，有時稱為次級周期性：偶數周期的元素具有較小的原子半徑並且更傾向於失去較少的電子，而奇數周期的元素（第一周期除外）則相反。因此，很多p區塊的性質是鋸齒狀的，而不是平滑的一條線。舉個例子，氮族元素中，奇數周期的磷和銻準備達到+5氧化態，而偶數周期的氮、砷和鉍則留在+3態。[62][65]
狹義相對論導致室溫下的汞為液態
當原子核變得高度帶電時，就需要狹義相對論來衡量原子核對電子云的影響。這些相對論效應導致重元素與其在元素周期表中的較輕同系物相比性質越來越不同。例如，相對論效應解釋了為什麼金是金色的，而汞在常溫下是液體。[66][67]預計這些影響將在第七期後期變得非常強烈，可能導致元素周期性的崩潰。[68]已知電子構型和化學性質的元素只到元素108（𨭆），因此最重元素的化學特性仍然是當前研究的主題。[69]
元素的許多其他物理性質也會按照周期律表現出周期性變化，如熔點、沸點、熔化熱、汽化熱、原子化能（英語：Atomisation energy）等。化合物也會出現類似的周期性變化，這可以通過比較氫化物、氧化物、硫化物、鹵化物等來觀察。[40]化學性質更難以定量描述，但同樣表現出其自身的周期性。例子元素及其化合物的酸性和鹼性的變化，化合物的穩定性和分離元素的方法。[35]周期性已非常廣泛地用於預測未知的新元素和新化合物的性質，並且是現代化學的核心。[70]