主族元素(Main Group Elements)

主族元素(Main Group Elements)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

主族元素，是指在元素週期表當中，s區(s-block)與p區(p-block)的元素。若用IUPAC對於元素的族的命名，則分別是1、2、13、14、15、16、17、18一共八個族的元素。在傳統對於族的CAS命名裡面，則分別是IA至VIIIA族元素。

12族的鋅、鎘、汞等元素，雖然說一般會併入d區的過渡金屬討論，然而其s與d軌域均填滿，因而具有一部份的主族元素性質，因此也有一些人主張，將12族元素算入主族元素。

主族元素佔據了宇宙，以及自然界、 生命體當中大部分的重要角色。組成生物體主要成分的碳、氫、氧、氮、磷、硫等，均是屬於主族元素當中的非金屬元素。主族元素除了氫以外，依照其性質，又有 鹼金屬、鹼土金屬、類金屬、半金屬、非金屬、鹵素、惰性氣體等分類。其中鹼金屬、鹼土金屬分別佔據了第1族與第2族，但不包含氫；而鹵素與惰性氣體則對應 了第17族與第18族。中間的13、14、15、16族，則較少有習慣稱呼；一般以硼族、碳族、氮族(pnictogen)、氧族(chalcogen) 等來表示。

主族元素裡其同族內之間大多化學性質相似，但相鄰的元素，即原子序僅差1的元素，性質差異頗大，尤其是惰性氣體，其化學反應活性幾近於零，和隔壁活潑的鹵 素元素ㄧ族相比，出現巨大的反差。這是因為在主族元素當中，電子逐步填入s軌域與p軌域，同ㄧ族的元素具有相似的電子組態，即具有相同最外層價電子組態， 如此一來，和價電子組態息息相關的化學性質也就相近。相較於Ｂ族元素，也就是過渡金屬元素，由於外層價電子軌域包含了d-軌域，在價電子填入時除了要考慮 d-軌域，有時s-軌域也需一併考慮，造成過渡金屬價態複雜，沒有簡單的規律。

一般而言，主族元素的陽離子，其最高可達到的價數會與其族數(I~VIII)相同，故氯離子最多可有+7價。因為IA、IIA族只使用到s-軌域，鹼金 屬、鹼土金屬分別在+1、+2價時最穩定。然而在較高週期的13至16族元素當中，因為價電子同時填入s-軌域和p-軌域，形成離子時，電子先由P-軌域 中移除，變成+2價離子，接著可以再移除s-軌域中的電子，變成+4價離子，其價數差2；例如Sn(II)與Sn(IV)、Pb(II)與Pb(IV)、 Tl(I)與Tl(III)等。

主族元素的一些化學趨勢，與其在元素週期表的位置密切相關。不考慮惰性氣體，元素的第一游離能(1^st ionization energy)、電負度(Electronegativity, EN)隨著在週期表的位置往右、往上而增高；而如元素的原子半徑(Atomic Radii)，則隨著隨著在週期表的位置往右上而變小，且非金屬的性質也就越為明顯。

參考資料：
1. Miessler, G. L; Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, 3rd ed.; Pearson Educational: Upple Saddle River, 2004; Ch. 8.