關(guān)于元素金屬性與非金屬性的討論

崔晨昀 吳星

（揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江蘇揚(yáng)州225002）

元素的金屬性和非金屬性是中學(xué)化學(xué)中一個(gè)重要的基本概念。但幾乎所有的中學(xué)化學(xué)教材中對(duì)元素的金屬性和非金屬性都沒有給出明確的定義，衡量元素金屬性和非金屬性的標(biāo)準(zhǔn)也不一致。究竟應(yīng)該如何界定元素的金屬性和非金屬性呢？在中學(xué)化學(xué)課程中如何衡量元素的金屬性和非金屬性的相對(duì)強(qiáng)弱呢？本文將對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行初步的討論。

一、元素金屬性和非金屬性的定義

關(guān)于元素金屬性和非金屬性的討論已有一些文獻(xiàn)報(bào)道，但觀點(diǎn)并非完全相同，總體上看有三種觀點(diǎn)：

（1）元素的金屬性是指元素的原子失去電子的能力，元素的非金屬性是指元素的原子得到電子的能力。一般而言，金屬元素具有較強(qiáng)的金屬性，非金屬元素具有較強(qiáng)的非金屬性。

（2）元素的金屬性指金屬原子失去電子成為金屬陽離子的能力，元素的非金屬性是指非金屬元素的原子得到電子成為陰離子的能力，或形成化學(xué)鍵時(shí)共用電子對(duì)偏向于該原子的傾向。

（3）金屬在真空狀態(tài)下氣態(tài)原子失去電子成為陽離子的難易程度。

在現(xiàn)行的中學(xué)化學(xué)教材中也沒有元素金屬性和非金屬性的明確定義，人教版和蘇教版的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)必修2》也只是給出了元素金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的比較方法。元素金屬性的強(qiáng)弱可以從其單質(zhì)與水（或酸）反應(yīng)置換出氫的難易程度以及它們的最高價(jià)氧化物的水化物的堿性強(qiáng)弱來比較；元素的非金屬性可以用它們生成氣態(tài)氫化物的難易程度和穩(wěn)定性以及它們的最高價(jià)氧化物的水化物的酸性強(qiáng)弱來比較。

在大學(xué)化學(xué)教材中，關(guān)于元素金屬性和非金屬性的討論也并不多見，一個(gè)可能的原因是大學(xué)化學(xué)教材的編寫者們認(rèn)為元素金屬性和非金屬性是中學(xué)化學(xué)中已經(jīng)解決了的化學(xué)基本概念，在大學(xué)化學(xué)課程中沒有必要進(jìn)一步研究。但在楊宏孝主編的《無機(jī)化學(xué)簡明教程》中對(duì)元素的金屬性和非金屬性給出了這樣的定義：在化學(xué)反應(yīng)中，某元素原子如果容易失去電子變?yōu)榈蛢r(jià)陽離子，就表示它的金屬性強(qiáng)；反之，若容易得到電子變?yōu)殛庪x子，就表示它的非金屬性強(qiáng)。

綜合上述元素金屬性和非金屬性的討論，雖然表達(dá)方式并不完全一致，但有一點(diǎn)是共同的，即元素的金屬性和非金屬性是指元素的原子得失電子的能力，不同的是對(duì)“什么狀態(tài)下的元素的原子”、“得失電子后生成何種離子”的描述不相一致。由于中學(xué)化學(xué)課程的階段性，我們認(rèn)為在中學(xué)化學(xué)課程中，元素的金屬性和非金屬性可以這樣進(jìn)行定義：元素的金屬性是指在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子失去電子的能力，元素的非金屬性是指在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子吸引電子的能力。在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子失去電子的能力越強(qiáng)，元素的金屬性越強(qiáng)，非金屬性越弱；在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子吸引電子的能力越強(qiáng)，元素的非金屬性越強(qiáng)，金屬性越弱。

二、元素金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的衡量標(biāo)度

在中學(xué)化學(xué)課程中學(xué)習(xí)元素的金屬性和非金屬性的主要目的是能夠比較不同元素的金屬性和非金屬性的相對(duì)強(qiáng)弱。由于元素的原子失去（或吸引）電子的能力與反應(yīng)的條件有關(guān)，因而就得到了幾種不同的衡量元素金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的標(biāo)度。

1.電極電勢(shì)標(biāo)度

在中學(xué)化學(xué)教材中，我們常用“元素的單質(zhì)與水（或酸）反應(yīng)置換出氫的難易程度”來衡量元素金屬性的強(qiáng)弱。實(shí)質(zhì)上，這是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（298K，1×105Pa，有所離子的濃度均為1mol／L），金屬的穩(wěn)定單質(zhì)與H＋反應(yīng)，形成水合低價(jià)陽離子的能力，在反應(yīng)中金屬元素的變化可表示為：

由于能發(fā)生上述反應(yīng)的絕大多數(shù)是金屬元素，因而按上述反應(yīng)進(jìn)行的程度由易到難排列，就得到了我們常說的金屬活動(dòng)順序（見表1）。

表1 常見金屬的電極電勢(shì)

以電極電勢(shì)作為元素金屬性強(qiáng)弱的衡量標(biāo)度，討論的是金屬單質(zhì)失去電子形成低價(jià)水合陽離子的能力的強(qiáng)弱，一定程度上也反映了元素的金屬性的強(qiáng)弱，即金屬元素在化學(xué)反應(yīng)中失去電子的能力。

2.電離能標(biāo)度

不少學(xué)者認(rèn)為，金屬單質(zhì)失去電子形成低價(jià)水合陽離子的能力不僅與元素的單質(zhì)失去電子的能力有關(guān)，還與金屬的原子化熱、金屬離子的水合能有關(guān)（見圖1）。因而，電極電勢(shì)不能作為衡量元素金屬性強(qiáng)弱的標(biāo)度。

圖1 金屬單質(zhì)生成水合離子的熱力學(xué)循環(huán)

由金屬單質(zhì)生成水合離子的熱力學(xué)循環(huán)可以看出，金屬元素的原子失去電子的能力主要與其電離能的大小有關(guān)，因而也有人建議以元素第一電離能的大小作為衡量元素金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的標(biāo)度。對(duì)于絕大多數(shù)元素原子（稀有氣體除外）而言，元素的原子越難失去電子必越容易得到電子。所以，第一電離能可以衡量元素的金屬性和非金屬性的強(qiáng)弱：第一電離能越小，元素的金屬性越強(qiáng)，元素的非金屬性越弱；第一電離能越大，元素的非金屬性越強(qiáng)，元素的金屬性越弱。常見元素的第一電離能的數(shù)值見表2。

表2 常見元素的第一電離能（kJ／mol）

從本質(zhì)上說，元素的第一電離能是衡量元素氣態(tài)原子失去1個(gè)電子形成氣態(tài)陽離子的能力：

元素的氣態(tài)原子失去電子的能力主要與原子的基態(tài)電子層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)，如Cu原子的外圍電子排布是3d104s1，Zn原子的外圍電子排布是3d104s2，Zn原子相對(duì)穩(wěn)定的基態(tài)電子層結(jié)構(gòu)使其比銅原子更難失去電子。因此，以元素原子的第一電離能大小所排列的元素金屬性和非金屬性的強(qiáng)弱順序與用電極電勢(shì)大小所排列的元素金屬性強(qiáng)弱順序并不一致。

3.電負(fù)性標(biāo)度

1932年泡林（Linus Pauling）提出電負(fù)性的概念，用電負(fù)性衡量化合物中原子對(duì)電子吸引能力的相對(duì)大?。ú糠衷氐碾娯?fù)性數(shù)值見表3）。

表3 常見元素的電負(fù)性

由于元素的金屬性和非金屬性可以定義為：在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子吸引電子的能力。因此，元素的電負(fù)性可以衡量元素金屬性和非金屬性的強(qiáng)弱：元素的電負(fù)性越小，元素的金屬性越強(qiáng)；元素的電負(fù)性越大，元素的非金屬性越強(qiáng)。

三、元素金屬性和非金屬性的教學(xué)建議

雖然元素的金屬性和非金屬性是中學(xué)化學(xué)中的一個(gè)重要的基本概念，但學(xué)習(xí)該概念的目的之一是為了更好地認(rèn)識(shí)元素周期律。在中學(xué)化學(xué)課程中，我們只要求學(xué)生：（1）能結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)元素周期律，了解原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系；（2）能描述元素周期表的結(jié)構(gòu)，知道金屬、非金屬在元素周期表中的位置及其性質(zhì)的遞變規(guī)律（見普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)）。也就是說，通過化學(xué)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解或掌握：

元素的金屬性是指在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子失去電子的能力，元素的非金屬性是指在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子或吸引電子的能力。在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子失去電子的能力越強(qiáng)，元素的金屬性越強(qiáng)，非金屬性越弱；在化學(xué)反應(yīng)中元素的原子吸引電子的能力越強(qiáng)，元素的非金屬性越強(qiáng)，金屬性越強(qiáng)。

隨著原子序數(shù)的增加，每隔一定數(shù)目的原子，元素的金屬性和非金屬性呈現(xiàn)周期性變化。同一周期從左到右，元素的金屬性逐漸減弱，元素的非金屬性逐漸增強(qiáng)；同一主族從上到下，元素的金屬性逐漸減弱，元素的非金屬性逐漸增強(qiáng)。

至于如何衡量元素的金屬性和非金屬性強(qiáng)弱，在高中化學(xué)的選修課程模塊（物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)）中，可以讓學(xué)生結(jié)合元素的電負(fù)性的周期性變化規(guī)律更好地認(rèn)識(shí)元素金屬性和非金屬性的變化規(guī)律。

［1］馬桂林.金屬性與非金屬性之區(qū)別［J］.中學(xué)生數(shù)理化（高一版），2006，（3）

［2］宮振生.如何判斷元素的金屬性和非金屬性［J］.黑龍江教育（中學(xué)），2005，（3）

［3］北京師大、華中師大、南京師大無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002

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［5］宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)必修2［M］.北京：人民教育出版社，2007

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［7］楊宏孝主編.無機(jī)化學(xué)簡明教程［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1997