关于元素金属性与非金属性的讨论

崔晨昀 吴星

（扬州大学化学化工学院江苏扬州225002）

元素的金属性和非金属性是中学化学中一个重要的基本概念。但几乎所有的中学化学教材中对元素的金属性和非金属性都没有给出明确的定义，衡量元素金属性和非金属性的标准也不一致。究竟应该如何界定元素的金属性和非金属性呢？在中学化学课程中如何衡量元素的金属性和非金属性的相对强弱呢？本文将对这两个问题进行初步的讨论。

一、元素金属性和非金属性的定义

关于元素金属性和非金属性的讨论已有一些文献报道，但观点并非完全相同，总体上看有三种观点：

（1）元素的金属性是指元素的原子失去电子的能力，元素的非金属性是指元素的原子得到电子的能力。一般而言，金属元素具有较强的金属性，非金属元素具有较强的非金属性。

（2）元素的金属性指金属原子失去电子成为金属阳离子的能力，元素的非金属性是指非金属元素的原子得到电子成为阴离子的能力，或形成化学键时共用电子对偏向于该原子的倾向。

（3）金属在真空状态下气态原子失去电子成为阳离子的难易程度。

在现行的中学化学教材中也没有元素金属性和非金属性的明确定义，人教版和苏教版的《普通高中课程标准实验教科书化学必修2》也只是给出了元素金属性和非金属性强弱的比较方法。元素金属性的强弱可以从其单质与水（或酸）反应置换出氢的难易程度以及它们的最高价氧化物的水化物的碱性强弱来比较；元素的非金属性可以用它们生成气态氢化物的难易程度和稳定性以及它们的最高价氧化物的水化物的酸性强弱来比较。

在大学化学教材中，关于元素金属性和非金属性的讨论也并不多见，一个可能的原因是大学化学教材的编写者们认为元素金属性和非金属性是中学化学中已经解决了的化学基本概念，在大学化学课程中没有必要进一步研究。但在杨宏孝主编的《无机化学简明教程》中对元素的金属性和非金属性给出了这样的定义：在化学反应中，某元素原子如果容易失去电子变为低价阳离子，就表示它的金属性强；反之，若容易得到电子变为阴离子，就表示它的非金属性强。

综合上述元素金属性和非金属性的讨论，虽然表达方式并不完全一致，但有一点是共同的，即元素的金属性和非金属性是指元素的原子得失电子的能力，不同的是对“什么状态下的元素的原子”、“得失电子后生成何种离子”的描述不相一致。由于中学化学课程的阶段性，我们认为在中学化学课程中，元素的金属性和非金属性可以这样进行定义：元素的金属性是指在化学反应中元素的原子失去电子的能力，元素的非金属性是指在化学反应中元素的原子吸引电子的能力。在化学反应中元素的原子失去电子的能力越强，元素的金属性越强，非金属性越弱；在化学反应中元素的原子吸引电子的能力越强，元素的非金属性越强，金属性越弱。

二、元素金属性和非金属性强弱的衡量标度

在中学化学课程中学习元素的金属性和非金属性的主要目的是能够比较不同元素的金属性和非金属性的相对强弱。由于元素的原子失去（或吸引）电子的能力与反应的条件有关，因而就得到了几种不同的衡量元素金属性和非金属性强弱的标度。

1.电极电势标度

在中学化学教材中，我们常用“元素的单质与水（或酸）反应置换出氢的难易程度”来衡量元素金属性的强弱。实质上，这是指在标准状态下（298K，1×105Pa，有所离子的浓度均为1mol／L），金属的稳定单质与H＋反应，形成水合低价阳离子的能力，在反应中金属元素的变化可表示为：

由于能发生上述反应的绝大多数是金属元素，因而按上述反应进行的程度由易到难排列，就得到了我们常说的金属活动顺序（见表1）。

表1 常见金属的电极电势

以电极电势作为元素金属性强弱的衡量标度，讨论的是金属单质失去电子形成低价水合阳离子的能力的强弱，一定程度上也反映了元素的金属性的强弱，即金属元素在化学反应中失去电子的能力。

2.电离能标度

不少学者认为，金属单质失去电子形成低价水合阳离子的能力不仅与元素的单质失去电子的能力有关，还与金属的原子化热、金属离子的水合能有关（见图1）。因而，电极电势不能作为衡量元素金属性强弱的标度。

图1 金属单质生成水合离子的热力学循环

由金属单质生成水合离子的热力学循环可以看出，金属元素的原子失去电子的能力主要与其电离能的大小有关，因而也有人建议以元素第一电离能的大小作为衡量元素金属性和非金属性强弱的标度。对于绝大多数元素原子（稀有气体除外）而言，元素的原子越难失去电子必越容易得到电子。所以，第一电离能可以衡量元素的金属性和非金属性的强弱：第一电离能越小，元素的金属性越强，元素的非金属性越弱；第一电离能越大，元素的非金属性越强，元素的金属性越弱。常见元素的第一电离能的数值见表2。

表2 常见元素的第一电离能（kJ／mol）

从本质上说，元素的第一电离能是衡量元素气态原子失去1个电子形成气态阳离子的能力：

元素的气态原子失去电子的能力主要与原子的基态电子层结构的稳定性有关，如Cu原子的外围电子排布是3d104s1，Zn原子的外围电子排布是3d104s2，Zn原子相对稳定的基态电子层结构使其比铜原子更难失去电子。因此，以元素原子的第一电离能大小所排列的元素金属性和非金属性的强弱顺序与用电极电势大小所排列的元素金属性强弱顺序并不一致。

3.电负性标度

1932年泡林（Linus Pauling）提出电负性的概念，用电负性衡量化合物中原子对电子吸引能力的相对大小（部分元素的电负性数值见表3）。

表3 常见元素的电负性

由于元素的金属性和非金属性可以定义为：在化学反应中元素的原子吸引电子的能力。因此，元素的电负性可以衡量元素金属性和非金属性的强弱：元素的电负性越小，元素的金属性越强；元素的电负性越大，元素的非金属性越强。

三、元素金属性和非金属性的教学建议

虽然元素的金属性和非金属性是中学化学中的一个重要的基本概念，但学习该概念的目的之一是为了更好地认识元素周期律。在中学化学课程中，我们只要求学生：（1）能结合有关数据和实验事实认识元素周期律，了解原子结构与元素性质的关系；（2）能描述元素周期表的结构，知道金属、非金属在元素周期表中的位置及其性质的递变规律（见普通高中化学课程标准）。也就是说，通过化学课程学习，学生能了解或掌握：

元素的金属性是指在化学反应中元素的原子失去电子的能力，元素的非金属性是指在化学反应中元素的原子或吸引电子的能力。在化学反应中元素的原子失去电子的能力越强，元素的金属性越强，非金属性越弱；在化学反应中元素的原子吸引电子的能力越强，元素的非金属性越强，金属性越强。

随着原子序数的增加，每隔一定数目的原子，元素的金属性和非金属性呈现周期性变化。同一周期从左到右，元素的金属性逐渐减弱，元素的非金属性逐渐增强；同一主族从上到下，元素的金属性逐渐减弱，元素的非金属性逐渐增强。

至于如何衡量元素的金属性和非金属性强弱，在高中化学的选修课程模块（物质结构与性质）中，可以让学生结合元素的电负性的周期性变化规律更好地认识元素金属性和非金属性的变化规律。

［1］马桂林.金属性与非金属性之区别［J］.中学生数理化（高一版），2006，（3）

［2］宫振生.如何判断元素的金属性和非金属性［J］.黑龙江教育（中学），2005，（3）

［3］北京师大、华中师大、南京师大无机化学教研室编.无机化学［M］.北京：高等教育出版社，2002

［4］李俊.浅谈金属性与金属活动性［J］.沈阳教育学院学报，2000（增刊）

［5］宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书化学必修2［M］.北京：人民教育出版社，2007

［6］王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书化学必修2［M］.南京：江苏教育出版社，2007

［7］杨宏孝主编.无机化学简明教程［M］.天津：天津大学出版社，1997