第1周期元素

第1周期元素是元素周期表中第一行（即元素周期）的元素。周期表按原子序数排列，以说明元素的化学行为随原子序数增加的周期性（重复）趋势：当它们的化学行为开始重复时，新的周期开始，这意味着类似元素会排到相同的族。第一周期包括的元素数量比任何周期少，只有两个，也就是氢和氦。这种情况可以用原子结构的现代理论来解释。在量子力学原子结构的描述中，该周期对应1s轨道的填充。第一周期元素遵守二隅体规则，它们需要两个电子来填满价电子层。

氢和氦是最古老，也是宇宙中最多的元素。

周期性

其它的周期都有至少八个元素，对研究周期内的周期性有时会有用。不过，第1周期元素只有两个元素，因此这个周期性研究不适用于此。

在普通的元素周期表中，氦一般都归类于惰性气体中，也就是 IUPAC 的18族元素。不过氢的化学性质很特殊，不能轻易地被归类为任何一族。[1]

第1周期元素在元素周期表里的位置

第一个电子层，n = 1，只有一个电子轨道。因此，第1周期元素的价电子最多只有两个电子，都在1s轨道上。第一个电子层缺少1p或任何其他类型（如：1d）的轨道。这是由于量子数上的一般的l < n约束所导致的。因此，第1周期元素只有两个。尽管氢和氦都是s区元素，它们的性质和其它s区元素很不同。它们的行为与其他s区元素非常不同，以至于在周期表中应将这两个元素放在何处存在很大的分歧。

氢属于碱金属，被放置在锂之上。[2]它有时被放在碳之上[3]，氟之上[3][4]，同时放在锂和氟上方（出现两次），[5]或浮在元素周期表上而不归类于任何一族[5]。

氦有着完整的价电子层，所以几乎都放在氖（是p区元素）之上，属于惰性气体一族。[2]不过，由于外层都有两个电子，氦有时会放在铍之上。[6]

元素

S區塊
原子序 元素符號 中文名稱 族 元素分區 電子排布 電子層 備註
1 H 氫 1族、s1 s區 1s1 1 第一個s區元素，也是週期表中第一個元素。
2 He 氦 8族、s2 s區 1s2 1

氢

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氢放电管
氘放电管

氢 (H) 是一种化学元素，原子序数为 1。在标准情况下，氢是一种无色、无臭、非金属性、无味且极度易燃的双原子气体，分子式 H2。氢是最轻的元素，原子量 1.00794 amu。[7]

氢是丰度最高的化学元素，占了75%的宇宙原子质量。[8]恒星在主序星阶段时的主要成分就是等离子态的氢。自由氢气在地球较稀有，工业制氢气技术方法就是以碳氢化合物如：甲烷为原料制成的。之后，大部分氢气在生产现场直接使用，在化石燃料升级（例如加氢裂化）和氨的生产（主要用于化肥市场）之间平均分配。氢气也可以由电解水产生，不过成本要比用碳氢化合物为原料的制法高。[9]

天然氢中含量最高的同位素是氕有一个质子且没有中子。[10]在离子化合物里，它可以被电离成氢正离子，也就是质子或氢负离子，是氢化物中的阴离子。氢可以形成很多化合物，例如水和几乎所有的有机化合物。[11]在酸碱质子理论中，许多反应涉及可溶分子之间的质子交换。这时，氢阳离子起到了特别重要的作用。[12]作为唯一薛定谔方程有解析解的中性原子，氢原子的能级和原子光谱的研究在量子力学的发展中起着关键作用。[13]

氢与各种金属的相互作用在冶金中非常重要，因为许多金属会遭受氢脆，[14]并需开发安全的方式来储存它作为燃料。[15]氢在许多由稀土金属和过渡金属组成的化合物中可溶，[16]也可以溶于晶体和无定形体金属中。[17]氢在金属中的溶解度会受到金属晶格中局部变形或杂质的影响。[18]

氦

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氦放电管

氦 (He) 是一种无色、无臭、无味、无毒的惰性单原子元素，是第一个惰性气体，原子序数为 2。[19]它的沸点和熔点是所有元素中最低的。除了在某些极端条件下，氦都是气体。[20]

氦气是由法国天文学家皮埃尔·让森在1868年发现的，他首先发现氦是从日蚀中发现的。[21]在1903年，美国天然气田发现了大量的氦气，这是迄今为止最大的氦气供应源。[22]氦气可用于低温物理学、[23]在深海呼吸系统中、[24]冷却超导磁铁、用于氦测年法（英语：helium dating）、[25]用于充气气球、[26]用于在飞艇中提供升力、[27]以及作为工业用保护气体，例如电弧焊和制作硅晶片。[28]吸入少量氦气会暂时改变人类声音的音色。[29]液态氦-4的两个流体相（氦I和氦II）的行为对于研究量子力学，特别是超流体的现象的研究人员来说非常重要，[30]以及研究物质的温度接近绝对零度会产生什么影响，例如超导性。[31]

氦是第二轻的元素，也是可观测宇宙中第二丰富的元素。[32]大部分氦是从大爆炸产生的，不过氢在恒星中核聚变也会产生新的氦。[33]在地球，氦是稀有的物质，由放射性元素的阿尔法衰变而成，[34]因为阿尔法粒子就是氦-4的原子核。这些氦被困在天然气里，其中天然气的氦比例可达7%。[35]人们从中可以通过称为分馏的低温分离工艺从中进行萃取。[36]

参考资料

  1. ^ Michael Laing. Where to Put Hydrogen in a Periodic Table?. Foundations of Chemistry. 2006, 9 (2): 127–137. doi:10.1007/s10698-006-9027-5. 
  2. ^ 2.0 2.1 International Union of Pure and Applied Chemistry > Periodic Table of the Elements. IUPAC. [2011-05-01]. （原始内容存档于2018-09-27）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Cronyn, Marshall W. The Proper Place for Hydrogen in the Periodic Table. Journal of Chemical Education. August 2003, 80 (8): 947–951. Bibcode:2003JChEd..80..947C. doi:10.1021/ed080p947. 
  4. ^ Vinson, Greg. Hydrogen is a Halogen. HydrogenTwo.com. 2008 [January 14, 2012]. （原始内容存档于January 10, 2012）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Kaesz, Herb; Atkins, Peter. A Central Position for Hydrogen in the Periodic Table. Chemistry International (International Union of Pure and Applied Chemistry). November–December 2003, 25 (6): 14 [January 19, 2012]. （原始内容存档于2017-10-21）. 
  6. ^ Winter, Mark. Janet periodic table. WebElements. 1993–2011 [January 19, 2012]. （原始内容存档于April 6, 2012）. 
  7. ^ Hydrogen – Energy. Energy Information Administration. [2008-07-15]. （原始内容存档于2009-02-05）. 
  8. ^ Palmer, David. Hydrogen in the Universe. NASA. November 13, 1997 [2008-02-05]. （原始内容存档于2014-10-29）. 
  9. ^ Staff. Hydrogen Basics — Production. Florida Solar Energy Center. 2007 [2008-02-05]. （原始内容存档于2018-10-22）. 
  10. ^ Sullivan, Walter. Fusion Power Is Still Facing Formidable Difficulties. The New York Times. 1971-03-11. 
  11. ^ hydrogen. Encyclopædia Britannica. 2008. 
  12. ^ Eustis, S. N.; Radisic, D.; Bowen, K. H.; Bachorz, R. A.; Haranczyk, M.; Schenter, G. K.; Gutowski, M. Electron-Driven Acid-Base Chemistry: Proton Transfer from Hydrogen Chloride to Ammonia. Science. 2008-02-15, 319 (5865): 936–939. Bibcode:2008Sci...319..936E. PMID 18276886. doi:10.1126/science.1151614. 
  13. ^ Time-dependent Schrödinger equation. Encyclopædia Britannica. 2008. 
  14. ^ Rogers, H. C. Hydrogen Embrittlement of Metals. Science. 1999, 159 (3819): 1057–1064. Bibcode:1968Sci...159.1057R. PMID 17775040. doi:10.1126/science.159.3819.1057. 
  15. ^ Christensen, C. H.; Nørskov, J. K.; Johannessen, T. Making society independent of fossil fuels — Danish researchers reveal new technology. Technical University of Denmark. July 9, 2005 [2008-03-28]. （原始内容存档于January 7, 2010）. 
  16. ^ Takeshita, T.; Wallace, W.E.; Craig, R.S. Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt. Inorganic Chemistry. 1974, 13 (9): 2282–2283. doi:10.1021/ic50139a050. 
  17. ^ Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W. Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals. Materials Science and Engineering. 1988, 99: 457–462. doi:10.1016/0025-5416(88)90377-1. 
  18. ^ Kirchheim, R. Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals. Progress in Materials Science. 1988, 32 (4): 262–325. doi:10.1016/0079-6425(88)90010-2. 
  19. ^ Helium: the essentials. WebElements. [2008-07-15]. （原始内容存档于2019-04-04）. 
  20. ^ Helium: physical properties. WebElements. [2008-07-15]. （原始内容存档于2017-11-25）. 
  21. ^ Pierre Janssen. MSN Encarta. [2008-07-15]. （原始内容存档于2009-10-29）. 
  22. ^ Theiss, Leslie. Where Has All the Helium Gone?. Bureau of Land Management. 2007-01-18 [2008-07-15]. （原始内容存档于2008-07-25）. 
  23. ^ Timmerhaus, Klaus D. Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress. Springer. 2006-10-06. ISBN 0-387-33324-X. 
  24. ^ Copel, M. Helium voice unscrambling. Audio and Electroacoustics. September 1966, 14 (3): 122–126. doi:10.1109/TAU.1966.1161862. 
  25. ^ helium dating. Encyclopædia Britannica. 2008. 
  26. ^ Brain, Marshall. How Helium Balloons Work. How Stuff Works. [2008-07-15]. （原始内容存档于2015-12-06）. 
  27. ^ Jiwatram, Jaya. The Return of the Blimp. Popular Science. 2008-07-10 [2008-07-15]. （原始内容存档于2020-08-22）. 
  28. ^ When good GTAW arcs drift; drafty conditions are bad for welders and their GTAW arcs.. Welding Design & Fabrication. 2005-02-01. 
  29. ^ Montgomery, Craig. Why does inhaling helium make one's voice sound strange?. Scientific American. 2006-09-04 [2008-07-15]. （原始内容存档于2020-10-03）. 
  30. ^ Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter. Science Daily. 2004-09-03 [2008-07-15]. （原始内容存档于2020-06-22）. 
  31. ^ Browne, Malcolm W. Scientists See Peril In Wasting Helium; Scientists See Peril in Waste of Helium. The New York Times. 1979-08-21. 
  32. ^ Helium: geological information. WebElements. [2008-07-15]. （原始内容存档于2020-08-04）. 
  33. ^ Cox, Tony. Origin of the chemical elements. New Scientist. 1990-02-03 [2008-07-15]. （原始内容存档于2014-10-21）. 
  34. ^ Helium supply deflated: production shortages mean some industries and partygoers must squeak by.. Houston Chronicle. 2006-11-05. 
  35. ^ Brown, David. Helium a New Target in New Mexico. American Association of Petroleum Geologists. 2008-02-02 [2008-07-15]. （原始内容存档于2012-03-04）. 
  36. ^ Voth, Greg. Where Do We Get the Helium We Use?. The Science Teacher. 2006-12-01. 

外部链接