資源簡介

2.2 第2課時　元素第一電離能的周期性變化
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.能解釋主族元素第一電離能變化的一般規(guī)律。
2.能利用第一電離能、電子排布式判斷周期表中某些元素的特殊性質(zhì)。
3.初步形成不同事物之間存在內(nèi)在聯(lián)系的觀點。
【合作探究】
【學(xué)習(xí)情境】
六氟合鉑酸氙——第一個稀有氣體化合物 1962年,英國化學(xué)家巴特列特通過實驗發(fā)現(xiàn)了具有強氧化性的PtF6(g)可以將O2分子氧化成,從而反應(yīng)生成新的化合物。他考慮到Xe電離一個電子(變成Xe+)所需要吸收的能量,與O2電離一個電子(變成)所需要吸收的能量非常相近,進行了模仿O2的這一反應(yīng),最終成功合成了Xe的化合物。
任務(wù)1　第一電離能的周期性變化
【新知生成】
1.元素第一電離能是氣態(tài)原子失去一個電子形成+1價氣態(tài)陽離子所需要的　　　　　　。符號: 　　　　。
2.元素第一電離能的意義:可以衡量元素的氣態(tài)原子　　　　　　　的難易程度。第一電離能數(shù)值越小,原子越容易失去一個電子;第一電離能數(shù)值越大,原子越難失去一個電子。
3.同主族元素第一電離能變化規(guī)律
元素 F Cl Br I
I1/(kJ·mol-1) 1681 1251 1140 1008
元素 Li Na K Rb
I1/(kJ·mol-1) 587.1 496 418.6 402.9
　　(1)從數(shù)據(jù)看,兩族元素I1大小關(guān)系為　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)同族元素第一電離能變化規(guī)律為　　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　。
　　4.同周期元素第一電離能變化規(guī)律
(1)同周期元素第一電離能總體趨勢為　　　　　　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)圖中第三周期元素的第一電離能鎂大于鋁,磷大于硫,寫出它們的核外電子排布式,解釋出現(xiàn)反常的原因:　 。
【答案】1.最低能量　I1
2.失去一個電子
3.(1)鹵族元素的第一電離能遠(yuǎn)大于堿金屬元素的
(2)從上到下逐漸減小　原子半徑逐漸增大,失電子能力逐漸增強
4.(1)從左到右呈增大的趨勢　同周期元素從左到右,原子半徑逐漸減小,失電子能力減弱,I1逐漸增大
(2)鎂原子的電子排布式為1s22s22p63s2,鋁原子的電子排布式為1s22s22p63s23p1,鎂原子的3s軌道為全充滿狀態(tài),難失電子,所以它的第一電離能比鋁的大。磷原子的電子排布式為1s22s22p63s23p3,硫原子的電子排布式為1s22s22p63s23p4,磷原子的3p軌道為半充滿狀態(tài),難失電子,所以它的第一電離能比硫的大
【核心突破】
　　典例1　下列說法正確的是 (　　)
A.第3周期元素中鈉的第一電離能最小
B.鋁的第一電離能比鎂的第一電離能大
C.在所有元素中,氟的第一電離能最大
D.鉀的第一電離能比鎂的第一電離能大
【答案】A
【解析】同周期元素從左到右第一電離能呈逐漸增大的趨勢,堿金屬第一電離能最小,稀有氣體元素的第一電離能最大,A項正確,C項錯誤;鎂的外圍電子排布式為3s2,鋁的外圍電子排布式為3s23p1,鎂為全充滿狀態(tài),較難失去電子,故其第一電離能要大于鋁的第一電離能,B項錯誤;根據(jù)同主族、同周期主族元素第一電離能的遞變規(guī)律可以推測,第一電離能:K　　典例2　元素的第一電離能可以衡量元素的氣態(tài)原子失去一個電子的難易程度。請回答下列問題:
(1)元素的第一電離能:Al　　　　(填“>”或“<”)Si。
(2)第2周期元素中,第一電離能介于B、N之間的有　　　　種。
(3)S、N、O三種元素的第一電離能由大到小的順序為　　　　　　　　(用元素符號表示)。
【答案】(1)<　(2)3　(3)N>O>S
【解析】(1)同一周期元素自左向右,第一電離能呈增大趨勢,第一電離能Al(2)同周期元素的第一電離能從左到右呈增大的趨勢,但ⅡA和ⅤA族元素的第一電離能比同周期相鄰主族元素的都大,所以符合要求的元素有Be、C、O。
(3)N、O元素屬于同一周期,基態(tài)N原子2p軌道容納3個電子,處于半充滿狀態(tài),比較穩(wěn)定,N元素的第一電離能大于O元素的第一電離能,O、S屬于同一主族,且S元素的原子序數(shù)大于O元素,S元素的第一電離能小于O元素的第一電離能,所以第一電離能由大到小的順序是N>O>S。
歸納總結(jié)　影響電離能的因素
電離能數(shù)值的大小主要取決于原子的核電荷數(shù)、原子半徑及原子的核外電子排布。同一周期從左到右,元素的核電荷數(shù)逐漸增大,原子半徑逐漸減小,電離能呈增大趨勢;同一主族,核電荷數(shù)越大,半徑越大,電離能越小;原子軌道處于全空、全充滿穩(wěn)定狀態(tài)和半充滿的穩(wěn)定狀態(tài),電離能較大。
　　訓(xùn)練1　下列原子的外圍電子排布中,對應(yīng)第一電離能最大的是 (　　)
A.ns2np1　 B.ns2np2　 C.ns2np3　 D.ns2np4
【答案】C
【解析】當(dāng)原子軌道處于全滿、半滿時,具有的能量較低,原子較穩(wěn)定,第一電離能較大。
　　訓(xùn)練2　回答下列有關(guān)元素電離能的問題:
(1)Li及其元素周期表中相鄰元素的第一電離能(I1):I1(Li)>I1(Na),原因是　 。
(2)I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是　 。
(3)元素的第一電離能I1(Zn)　　　　(填“大于”或“小于”)I1(Cu),原因是　 。
【答案】(1)Na與Li同族,Na電子層數(shù)多,原子半徑大,易失電子
(2)Li、Be、B同周期,核電荷數(shù)依次增加,基態(tài)Be原子為1s22s2全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu),第一電離能最大,與Li相比,B核電荷數(shù)大,原子半徑小,較難失去電子,第一電離能較大
(3)大于　Zn核外電子排布為全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu),較難失電子
【解析】同主族元素,最外層電子數(shù)相同,從上至下,電子層數(shù)逐漸增多,原子半徑逐漸增大,原子核對最外層電子的吸引能力減小,第一電離能逐漸減小,所以I1(Li)>I1(Na)。
(2)同周期元素,電子層數(shù)相同,從左至右,原子半徑減小,原子核對最外層電子的吸引能力增大,第一電離能呈增大趨勢,但由于ⅡA族元素基態(tài)原子s能級軌道處于全充滿的狀態(tài),能量更低更穩(wěn)定,所以其第一電離能大于同一周期的ⅢA族元素,因此I1(Be)>I1(B)>I1(Li)。
(3)基態(tài)原子核外電子排布式:Zn為1s22s22p63s23p63d104s2,Cu為1s22s22p63s23p63d104s1,Zn核外電子排布為全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu),較難失電子,因此其第一電離能比銅的大。
任務(wù)2　電離能的應(yīng)用
【新知生成】
1.1~36號元素第一電離能的變化規(guī)律
(1)同周期元素第一電離能總體變化趨勢是　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)同周期第一電離能最大的元素是　 ,原因是　　　　　　　　　　　。
2.根據(jù)第一電離能的定義,確定第二電離能、第三電離能的定義:　 。
【答案】1.(1)從左到右呈增大趨勢　同周期元素從左到右,原子半徑逐漸減小,失電子能力減弱,I1逐漸增大
(2)稀有氣體元素　稀有氣體原子最外層處于全充滿狀態(tài),達穩(wěn)定結(jié)構(gòu),失電子能力弱
2.從+1價氣態(tài)陽離子中再失去一個電子形成+2價氣態(tài)陽離子所需要的最低能量叫作第二電離能,符號為I2。類似用I3、I4……表示元素的第三、第四……電離能。
【核心突破】
　　典例3　下列有關(guān)電離能的說法中正確的是 (　　)
A.對于同一元素而言,原子的電離能I1>I2>I3……
B.鉀比鈉活潑,所以鉀的第一電離能大于鈉的第一電離能
C.同一周期中,主族元素的第一電離能從左到右越來越大
D.可通過一種元素各級電離能的數(shù)值,判斷元素可能的化合價
【答案】D
【解析】對于同一元素來說,原子失去電子個數(shù)越多,其失電子能力越弱,所以原子的電離能隨著原子失去電子個數(shù)的增多而增大,A項錯誤;鉀的活潑性強于鈉,說明鉀失電子能力比鈉強,所以鉀元素的第一電離能小于鈉元素的第一電離能,B項錯誤;從總的變化趨勢上看,同一周期中主族元素的第一電離能從左到右越來越大,但也有反常,如I1(N)>I1(O),C項錯誤;層與層之間電離能相差較大,電離能數(shù)值發(fā)生突躍,層內(nèi)電離能的差別較小,可以根據(jù)電離能的數(shù)據(jù)判斷元素可能的化合價,D項正確。
　　典例4　分析下列圖表,回答問題。
(1)N、Al、Si、Ge四種元素中,有一種元素的電離能數(shù)據(jù)如下:
電離能 I1 I2 I3 I4 ……
In/(kJ·mol-1) 578 1817 2745 11578 ……
　　則該元素是　　　　(填寫元素符號)。
(2)某短周期主族元素M的電離能如圖所示。則M元素位于周期表的　　　　族。
【答案】(1)Al　(2)ⅡA
【解析】(1)因為I4 I3,所以該元素原子最外層有3個電子,為鋁元素。
(2)元素M的各級電離能逐漸增大,I1和I2差別較小,但I3 I2>I1,I3突躍式變大,即失去2個電子后,再失去電子變?yōu)?3價陽離子非常困難,說明元素M失去2個電子后達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
歸納總結(jié)　電離能的應(yīng)用
(1)確定元素原子的核外電子排布
如Li:I1 I2(2)確定元素在化合物中的化合價
如K元素I1 I2注意:由電離能的遞變規(guī)律可知,同周期主族元素從左到右,元素的第一電離能呈增大趨勢,但ⅡA族Be、Mg、Ca的第一電離能分別比同周期ⅢA族B、Al、Ga的第一電離能要大;ⅤA族N、P、As的第一電離能分別比同周期ⅥA族O、S、Se的第一電離能要大。這是由于ⅡA族元素的最外層電子排布式為ns2,為全充滿狀態(tài),而ⅤA族元素的最外層電子排布式為ns2np3,為半充滿狀態(tài),較穩(wěn)定。
　　訓(xùn)練3　已知X、Y是主族元素,I為電離能,單位是 kJ·mol-1。請根據(jù)下表所列數(shù)據(jù)判斷,錯誤的是 (　　)
元素 I1 I2 I3 I4
X 500 4600 6900 9500
Y 580 1800 2700 11600
　　A.元素X的常見化合價是+1
B.元素Y是ⅢA族元素
C.元素X與氯形成化合物時,化學(xué)式可能是XCl
D.若元素Y處于第3周期,則其單質(zhì)可與冷水劇烈反應(yīng)
【答案】D
【解析】由表中數(shù)據(jù)知:X的電離能I1 I2　　訓(xùn)練4　不同元素的第一電離能數(shù)據(jù)(單位kJ·mo)如下圖所示。
試根據(jù)元素在周期表中的位置,分析圖中曲線的變化特點,并回答下列問題:
(1)同主族內(nèi)不同元素的I1值變化的特點是　　　　　　　　　　　　　,各主族中I1值的這種變化特點體現(xiàn)了元素性質(zhì)的　　　　變化規(guī)律。
(2)試預(yù)測下列關(guān)系式中正確的是　　　　(填序號)。　
①I1(砷)>I1(硒)　　②I1(砷)③I1(溴)>I1(硒)　　④I1(溴)(3)估計1 mol氣態(tài)鈣原子失去最外層一個電子所需能量(E)的范圍:　　　　kJ(4)10號元素I1值較大的原因是　 。
【答案】(1)隨著原子序數(shù)增大,I1值變小　周期性
(2)①③　(3)419　738
(4)10號元素為氖,該元素原子最外層電子排布已達到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
【解析】(1)從H、Li、Na、K等可以看出,同主族元素隨元素原子序數(shù)的增大,第一電離能數(shù)值變小。
(2)從第2、3周期可以看出,第一電離能呈增大趨勢,但ⅢA和ⅥA族元素比同周期相鄰兩種元素I1值都低。由此可推測I1(砷)>I1(硒)、I1(溴)>I1(硒)。　
(3)根據(jù)同主族、同周期第一電離能的變化規(guī)律可以推測:I1(K)課堂小結(jié)
【隨堂檢測】
1.下列元素的第一電離能是按由大到小的順序排列的是 (　　)
A.N、O、Mg、Al B.I、Br、Cl、F
C.Br、Se、As、Ge D.Li、C、N、F
【答案】A
【解析】同周期元素從左到右第一電離能呈逐漸增大趨勢,ⅡA、ⅤA族元素原子最外層為半充滿或全充滿狀態(tài),較穩(wěn)定,第一電離能較大,大于相鄰元素,N、O、Mg、Al的第一電離能按由大到小的順序排列是N、O、Mg、Al,A項正確;同主族自上而下電離能逐漸降低,I、Br、Cl、F的第一電離能按由大到小的順序排列是F、Cl、Br、I,B項錯誤;Br、Se、As、Ge的第一電離能按由大到小的順序排列是Br、As、Se、Ge,C項錯誤;Li、C、N、F的第一電離能按由大到小的順序排列是F、N、C、Li,D項錯誤。
2.某元素X的逐級電離能如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.X元素顯+4價
B.X為非金屬
C.X為第5周期元素
D.X與氯反應(yīng)時最可能生成的陽離子為X3+
【答案】D
【解析】根據(jù)電離能圖可知,該元素的第三電離能和第四電離能之間的差距最大,所以該原子的最外層有3個電子,在化合物中通常顯+3價,與氯反應(yīng)時最可能生成的陽離子為X3+。ⅢA族元素有金屬元素也有非金屬元素,根據(jù)已知條件無法確定該元素為非金屬元素,也無法確定是哪個周期的元素。
3.現(xiàn)有5種元素A、B、C、D、E,其中有三種金屬元素,一種稀有氣體元素,它們的I1~I3分別如表所示。
元素 I1/eV I2/eV I3/eV
A 13.0 23.9 40.0
B 4.3 31.9 47.8
C 5.7 47.4 71.8
D 7.7 15.1 80.3
E 21.6 41.1 65.2
根據(jù)上表數(shù)據(jù)判斷,其中的金屬元素有　　　　,稀有氣體元素有　　　　,最活潑的金屬元素是　　　　,顯+2價的金屬元素是　　　　。(用字母回答)
【答案】B、C、D　E　B　D
【解析】元素的第一電離能越小,說明該元素的原子越容易失去電子,金屬性越強;元素的第一電離能越大,說明該元素的原子越難失去電子,非金屬性越強(稀有氣體除外)。表中B、C、D三種元素的第一電離能相對較小,應(yīng)該屬于金屬元素;E元素的第一電離能最大,應(yīng)是稀有氣體元素;D元素的第二電離能相對最小,且第三電離能最大,說明D元素原子較容易失去兩個電子,應(yīng)該是顯+2價的金屬元素。
4.下表是元素周期表的一部分,表中所列的字母分別代表一種元素。回答下列問題:
(1)寫出e元素的基態(tài)原子核外電子排布式:　　　　　。
(2)上述第3周期元素中第一電離能(I1)最大的是　　　　(用元素符號表示,下同),c和f的I1大小關(guān)系是　　　>　　　　。
【答案】(1)1s22s22p63s23p63d14s2{或[Ar]3d14s2}
(2)Ar　Mg　Al
【解析】所列13種元素a~m依次是Na、H、Mg、Sr、Sc、Al、Ge、C、P、O、Te、Cl、Ar,其中Na、Mg、Al、P、Cl、Ar屬于第3周期元素,Ar的I1最大。Mg、Al的核外電子排布式分別為1s22s22p63s2、1s22s22p63s23p1,Mg的3s軌道為全充滿狀態(tài),故其I1比Al的I1大。
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