元素周期表揭示了由基础电子结构引起的元素特性的系统变化。随着原子序数的增加，电子以可预测的顺序填充轨道（1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p…），核电荷、内部电子屏蔽和轨道穿透之间的相互作用控制着所有周期性趋势。了解这些模式使化学家能够预测不熟悉元素的物理性质、化学反应性和键合行为。

原子半径

原子半径在一段时期内减小，并在族内增加。在一段时间内（例如，Li→Ne），电子添加到相同的主壳层，同时核电荷增加，收缩电子云——Na（186 pm）的原子半径几乎是 Ar（71 pm）的两倍。在一组中，每个连续元素都有一个额外的电子壳层，尽管核电荷增加，但半径却增加了——Cs (265 pm) 的半径比 Li (152 pm) 大大约 60%。由于 d 电子彼此屏蔽性较差，过渡金属在一段时间内表现出更逐渐的减少。镧系元素收缩，即 4f 元素的半径在整个镧系元素中缓慢减小，导致后镧系元素（Hf、Ta、W）与其 4d 类似物（Zr、Nb、Mo）具有几乎相同的半径，这对它们的化学相似性产生了重大影响。

电离能

电离能 (IE) 是从气态原子中除去电子所需的能量。 IE 在一段时期内增加，在一段时期内减少。在第 2 周期，IE 从 Li (520 kJ/mol) 上升到 Ne (2080 kJ/mol)，但有一些值得注意的例外：Be 的 IE 比 B 更高（因为 Be 的电子从填充的 2s 子壳层中移除），N 的 IE 比 O 更高（因为 N 的 2p 子壳层是半填充的，从 O 中移除一个电子可以缓解电子-电子排斥）。在一组中，随着电子离原子核更远且屏蔽更好，IE 降低——Cs 的 IE 是所有稳定元素中最低的（376 kJ/mol）。一旦电子从填充的壳核中移出，连续的电离能就会急剧增加——对于 Al，IE₁ = 578、IE2 = 1817、IE₃ = 2745 和 IE₄ = 11,577 kJ/mol，反映了从价态 3p 电子到核心 2p 电子的跃迁。

电子亲和势

电子亲和势（EA）是气态原子获得电子时的能量变化。大多数元素都具有放热 EA（负能量），但值差异很大。卤素具有放热最多的 EA（Cl：-349 kJ/mol，F：-328 kJ/mol），反映了它们完成八位组的强烈倾向。尽管 F 具有更高的电负性，但 Cl 的 EA 超过了 F——F 的小尺寸导致紧凑的 2p 子壳层中更大的电子-电子排斥。第 2 族元素（Be、Mg）和稀有气体具有吸热 EA（正能量），因为添加的电子必须进入新的子壳层或壳层。由于半填充 2p³ 配置的稳定性，氮气的 EA 接近于零。尽管不规则现象很常见，但 EA 通常会在一段时间内变得更加负面，而在一个组中则负面程度降低。

电负性

电负性 (χ) 描述原子吸引成键电子的趋势。基于键解离能的鲍林标度范围为 0.79 (Cs) 至 3.98 (F)。 Mulliken 量表取 IE 和 EA 的平均值：“χ_M = (IE + EA)/2”。 Allred-Rochow 标度将电负性定义为施加在价电子上的静电力：“χ_AR = 0.359 Z_eff/r² + 0.744”。在一段时间内，χ 由于 Zeff 的增加而增加，在卤素处达到峰值。在一组中，χ 随着原子半径的增加而减小。电负性差异预测键极性：Δχ > 1.7 通常表示离子特征，Δχ < 0.4 本质上是非极性共价键，中间值给出极性共价键。鲍林原理（即等效键的电负性总和大致恒定）有助于合理化键强度趋势。

氧化态和金属特性

金属特征在一个时期内逐渐减弱，并在一个组内逐渐增强。金属（表左侧和中心）容易失去电子，IE 和 EA 较低，并形成阳离子。非金属（右侧）获得电子，具有高 IE 和 EA，并形成阴离子。类金属（B、Si、Ge、As、Sb、Te）具有中间特性。主族元素通常表现出由其族号（第 1、2、13 族）和八位组规则（第 14-18 族）决定的氧化态。然而，较重的 p 区元素表现出惰性对效应（ns² 电子保持未电离的趋势），因此 Tl(I) 比 Tl(III) 更稳定，Pb(II) 比 Pb(IV) 更稳定，Bi(III) 比 Bi(V) 更稳定。过渡金属显示出多种氧化态，最大值通常等于 ns + (n-1)d 电子数（例如，Mn：+2 至 +7）。

对角关系和异常

对角关系描述了元素与下一个周期的元素和右侧一组元素之间的相似性，在前三个周期中尤其明显。 Li类似于Mg（两者都形成氮化物，碳酸盐在加热时分解）。 Be 类似于 Al（两者都是两性的，形成共价化合物，并被氧化物层钝化）。 B 类似于 Si（均形成酸性氧化物、挥发性氢化物和聚合物）。这些相似之处源于可比较的电荷半径比。值得注意的异常包括氟的低 EA、氮气和稀有气体的高 IE，以及过渡系列中 3d 与 4s 轨道的不规则填充。对于 Z > 70 的元素，相对论效应变得显着，收缩 6s 和 6p 轨道并稳定 6s² 对，这解释了金的金色和室温下汞的液态。