關于元素金屬性與非金屬性的討論

崔晨昀 吳星

（揚州大學化學化工學院江蘇揚州225002）

元素的金屬性和非金屬性是中學化學中一個重要的基本概念。但幾乎所有的中學化學教材中對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準也不一致。究竟應該如何界定元素的金屬性和非金屬性呢？在中學化學課程中如何衡量元素的金屬性和非金屬性的相對強弱呢？本文將對這兩個問題進行初步的討論。

一、元素金屬性和非金屬性的定義

關于元素金屬性和非金屬性的討論已有一些文獻報道，但觀點并非完全相同，總體上看有三種觀點：

（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，金屬元素具有較強的金屬性，非金屬元素具有較強的非金屬性。

（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，或形成化學鍵時共用電子對偏向于該原子的傾向。

（3）金屬在真空狀態下氣態原子失去電子成為陽離子的難易程度。

在現行的中學化學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《普通高中課程標準實驗教科書化學必修2》也只是給出了元素金屬性和非金屬性強弱的比較方法。元素金屬性的強弱可以從其單質與水（或酸）反應置換出氫的難易程度以及它們的最高價氧化物的水化物的堿性強弱來比較；元素的非金屬性可以用它們生成氣態氫化物的難易程度和穩定性以及它們的最高價氧化物的水化物的酸性強弱來比較。

在大學化學教材中，關于元素金屬性和非金屬性的討論也并不多見，一個可能的原因是大學化學教材的編寫者們認為元素金屬性和非金屬性是中學化學中已經解決了的化學基本概念，在大學化學課程中沒有必要進一步研究。但在楊宏孝主編的《無機化學簡明教程》中對元素的金屬性和非金屬性給出了這樣的定義：在化學反應中，某元素原子如果容易失去電子變為低價陽離子，就表示它的金屬性強；反之，若容易得到電子變為陰離子，就表示它的非金屬性強。

綜合上述元素金屬性和非金屬性的討論，雖然表達方式并不完全一致，但有一點是共同的，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“什么狀態下的元素的原子”、“得失電子后生成何種離子”的描述不相一致。由于中學化學課程的階段性，我們認為在中學化學課程中，元素的金屬性和非金屬性可以這樣進行定義：元素的金屬性是指在化學反應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反應中元素的原子吸引電子的能力。在化學反應中元素的原子失去電子的能力越強，元素的金屬性越強，非金屬性越弱；在化學反應中元素的原子吸引電子的能力越強，元素的非金屬性越強，金屬性越弱。

二、元素金屬性和非金屬性強弱的衡量標度

在中學化學課程中學習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強弱。由于元素的原子失去（或吸引）電子的能力與反應的條件有關，因而就得到了幾種不同的衡量元素金屬性和非金屬性強弱的標度。

1.電極電勢標度

在中學化學教材中，我們常用“元素的單質與水（或酸）反應置換出氫的難易程度”來衡量元素金屬性的強弱。實質上，這是指在標準狀態下（298K，1×105Pa，有所離子的濃度均為1mol／L），金屬的穩定單質與H＋反應，形成水合低價陽離子的能力，在反應中金屬元素的變化可表示為：

由于能發生上述反應的絕大多數是金屬元素，因而按上述反應進行的程度由易到難排列，就得到了我們常說的金屬活動順序（見表1）。

表1 常見金屬的電極電勢

以電極電勢作為元素金屬性強弱的衡量標度，討論的是金屬單質失去電子形成低價水合陽離子的能力的強弱，一定程度上也反映了元素的金屬性的強弱，即金屬元素在化學反應中失去電子的能力。

2.電離能標度

不少學者認為，金屬單質失去電子形成低價水合陽離子的能力不僅與元素的單質失去電子的能力有關，還與金屬的原子化熱、金屬離子的水合能有關（見圖1）。因而，電極電勢不能作為衡量元素金屬性強弱的標度。

圖1 金屬單質生成水合離子的熱力學循環

由金屬單質生成水合離子的熱力學循環可以看出，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，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弱的標度。對于絕大多數元素原子（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弱：第一電離能越小，元素的金屬性越強，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，元素的金屬性越弱。常見元素的第一電離能的數值見表2。

表2 常見元素的第一電離能（kJ／mol）

從本質上說，元素的第一電離能是衡量元素氣態原子失去1個電子形成氣態陽離子的能力：

元素的氣態原子失去電子的能力主要與原子的基態電子層結構的穩定性有關，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原子相對穩定的基態電子層結構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弱順序與用電極電勢大小所排列的元素金屬性強弱順序并不一致。

3.電負性標度

1932年泡林（Linus Pauling）提出電負性的概念，用電負性衡量化合物中原子對電子吸引能力的相對大小（部分元素的電負性數值見表3）。

表3 常見元素的電負性

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

三、元素金屬性和非金屬性的教學建議

雖然元素的金屬性和非金屬性是中學化學中的一個重要的基本概念，但學習該概念的目的之一是為了更好地認識元素周期律。在中學化學課程中，我們只要求學生：（1）能結合有關數據和實驗事實認識元素周期律，了解原子結構與元素性質的關系；（2）能描述元素周期表的結構，知道金屬、非金屬在元素周期表中的位置及其性質的遞變規律（見普通高中化學課程標準）。也就是說，通過化學課程學習，學生能了解或掌握：

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

隨著原子序數的增加，每隔一定數目的原子，元素的金屬性和非金屬性呈現周期性變化。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；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。

至于如何衡量元素的金屬性和非金屬性強弱，在高中化學的選修課程模塊（物質結構與性質）中，可以讓學生結合元素的電負性的周期性變化規律更好地認識元素金屬性和非金屬性的變化規律。

［1］馬桂林.金屬性與非金屬性之區別［J］.中學生數理化（高一版），2006，（3）

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［5］宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書化學必修2［M］.北京：人民教育出版社，2007

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