1.3 第1课时 元素的电离能及其变化规律 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2

1.3 第1课时　元素的电离能及其变化规律
【学习目标】
1.认识元素的第一电离能等元素性质的周期性变化。
2.知道原子核外电子排布呈现周期性变化是导致第一电离能周期性变化的原因。
3.了解元素周期律的应用价值。　
【自主预习】
1.概念
气态基态原子或气态基态离子失去　　　　电子所需要的　　　　称为电离能。表示符号为　　　　,单位为　　　　。
2.分类
M(g)M+(g)M2+(g)M3+(g)
3.影响因素
4.电离能的变化规律及应用
(1)规律
同周期 　　　　　　　元素的第一电离能最小,　　　　　　元素的第一电离能最大,从左到右,元素的第一电离能总体呈现　　　　的变化趋势
同主族 从上到下第一电离能逐渐　　　
同种元素 的原子 电离能逐级　　　　(例如:某种元素的第二电离能大于第一电离能)
(2)应用
a.可以用来判断金属原子在气态时　　　　　　的难易程度。电离能越小,表明在气态时该原子越　　　　失电子。
b.可以根据同一原子的逐级电离能的突跃,判断元素的主要　　　　。例如:如果I2 I1,元素易呈现　　　　价。
【参考答案】1.一个　最小能量　I　kJ·mol-1
3.核电荷数　原子半径　电子层结构
4.碱金属　稀有气体　由小到大　减小　增大　失电子　易　化合价　+1
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)第一电离能小的元素的金属性一定强。 (　　)
(2)M(g)M2+(g)+2e-所需能量是第二电离能。(　　)
(3)电离能的大小表示气态原子或气态离子失电子的难易程度。 (　　)
(4)可由原子的各级电离能的数值大小判断元素的化合价。 (　　)
(5)原子或离子失去一个电子所需的最小能量叫作电离能。 (　　)
(6)原子的+1价气态基态离子再失去1个电子所需要的最低能量叫作第二电离能。 (　　)
(7)同一元素的逐级电离能是逐渐增大的,即I1【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√　(7)√
2.为什么一种元素的各级电离能是逐渐增大的
【答案】气态阳离子所带正电荷越多对电子的吸引力越大。
3.同一原子中当电子逐级电离时,电离能突然变大很多,这个突跃点意味着什么
【答案】核外电子分层排布。
4.M(g)M2+(g)所需的能量是否是其第一电离能的2倍
【答案】不是,应远大于其第一电离能的2倍。因为首先失去的电子是能量最高的电子,故第一电离能最小,再失去的电子是能量较低的电子,且失去电子后离子所带正电荷对电子吸引力更强,从而使电离能越来越大。
【合作探究】
任务1：电离能
情境导入　
部分元素第一电离能变化情况如图所示。
问题生成
1.总体上:金属元素的第一电离能都较小,非金属元素和稀有气体元素的第一电离能都较大。为什么
【答案】因为金属元素原子的最外层电子数都比较少,容易失去电子,所以金属元素的第一电离能都比较小;而非金属元素原子的最外层电子数比较多,不容易失去电子,稀有气体元素原子价电子排布为ns2np6(He为1s2),是稳定结构,更难失去电子,因此它们的第一电离能都比较大。
2.为什么在同一周期中,从左到右随着原子序数的增大,元素第一电离能的变化有些曲折 如ⅡA族元素的I1大于ⅢA族元素,ⅤA族元素的I1大于ⅥA族元素,如I1(Be)>I1(B)、I1(Mg)>I1(Al)、I1(N)>I1(O)、I1(P)>I1(S)。
【答案】这与原子的外层电子排布有着密切关系。ⅡA族的Be(或Mg)有着比较稳定的ns2np0(s能级全充满,p能级全空)结构,ⅤA族的N(或P)有着比较稳定的ns2np3(s能级全充满,p能级半充满)结构,因而其原子稳定,第一电离能较高。
3.根据钠、镁、铝电离能的变化分析:
(1)为什么原子的逐级电离能越来越大
(2)为什么钠元素的常见价态为+1价,镁元素的为+2价,铝元素的为+3价
【答案】(1)因为最先失去的电子是能量最高的电子,故第一电离能较小,以后再失去的电子都是能量较低的电子,所需要的能量多;同时失去电子后,阳离子所带的正电荷对电子的引力更强,从而使电离能越来越大。
(2)钠原子的第一电离能较低,而第二电离能突跃式变高,即钠的第一电离能远远小于它的第二电离能。这说明钠原子很容易失去一个电子成为+1价的阳离子,从而形成稀有气体元素原子的稳定状态,此时原子核对外层电子的吸引作用变得更强,不再失去第2个电子,因此钠元素的常见化合价为+1价。同理可分析镁和铝。
【核心归纳】
电离能及其变化规律
1.电离能
同一种元素的逐级电离能大小关系:I12.第一电离能异常
一般地,同周期元素从左到右,第一电离能逐渐增大,但ⅡA族元素第一电离能大于同周期ⅢA族元素,ⅤA族元素第一电离能大于同周期ⅥA族元素。因为同周期ⅡA族元素的价电子排布式为ns2、同周期ⅢA族元素的价电子排布式为ns2np1、同周期ⅤA族元素的价电子排布式为ns2np3、同周期ⅥA族元素的价电子排布式为ns2np4,所以ⅡA族元素的最外层p轨道是全空结构,ⅤA族元素的最外层p轨道是半充满结构,它们都比较稳定。
3.一般地,第一电离能越大,金属活动性越弱,第一电离能异常元素除外。
4.电离能的突跃
原子失去电子形成稳定结构后,不容易再失去电子,因而再失去电子时的电离能就特别大。电离能的突跃可说明核外电子是分能层排布的。
【典型例题】
【例1】下列说法中正确的是(　　)。
A.第3周期所含元素中钠的第一电离能最小
B.铝的第一电离能比镁的第一电离能大
C.在所有的元素中,F的第一电离能最大
D.钾的第一电离能比镁的第一电离能大
【答案】A
【解析】B项,I1(Mg)>I1(Al);C项,在所有元素中,He的第一电离能最大;D项,I1(Na)>I1(K),I1(Mg)>I1(Na),故I1(Mg)>I1(K)。
【例2】 下列关于元素第一电离能的说法不正确的是(　　)。
A.钾元素的第一电离能小于钠元素的第一电离能,故钾的活泼性强于钠
B.因同周期元素的原子半径从左到右逐渐减小,故第一电离能必依次增大
C.最外层电子排布式为ns2np6(若只有K层时为1s2)的原子,第一电离能较大
D.对于同一元素而言,原子的电离能I1【答案】B
【解析】A项,同一主族,从上到下元素的第一电离能越来越小,金属活泼性越来越强;B项,同周期的ⅡA族与ⅢA族,ⅤA族与ⅥA族,第一电离能大小关系出现了反常;C项,最外层电子排布式为ns2np6的原子为稀有气体原子, 第一电离能较大;D项,同一元素的原子,I1任务2：电离能的应用
情境导入　以下是同周期三种主族元素R、W、T的电离能数据(单位:kJ·mol-1)。
元素代号 I1 I2 I3 I4
R 496 4562 6912 9543
W 578 1817 2745 11575
T 738 1451 7733 10540
问题生成
1.能否根据电离能数据判断元素R位于哪个族 并说明理由。
【答案】是ⅠA族元素。元素R第二电离能远大于第一电离能,可以判断是ⅠA族元素。
2.判断元素T位于元素周期表哪个分区 并阐释理由。
【答案】s区。元素T第三电离能远大于第二电离能,可以判断是ⅡA族元素,位于元素周期表s区。
3.试写出元素W价电子排布式,并阐释理由。
【答案】ns2np1。元素W第四电离能远大于第三电离能,可以判断是ⅢA族元素。
4.能够根据I1(T)>I1(W),就做出判断金属性:W>T,这个观点对吗 请阐释理由。
【答案】不对。金属性强弱不能只看第一电离能,同一周期中元素金属性从左向右依次减弱,故金属性:T>W。
【核心归纳】
电离能的应用
(1)比较元素金属性的强弱
一般情况下,元素的第一电离能越小,元素的金属性越强。
(2)确定元素原子的核外电子层排布
由于电子是分层排布的,内层电子比外层电子难失去,因此元素的电离能会发生突变。
(3)确定元素的化合价
如果 ,即电离能在In与In+1之间发生突变,则元素的原子易形成+n价离子,并且主族元素的最高化合价为+n价(或只有+n价、0价)。某元素的逐级电离能,若I2 I1,则该元素通常显+1价;若I3 I2,则该元素通常显+2价;若I4 I3,则该元素通常显+3价。
过渡元素的价电子数较多,且各级电离能之间相差不大,所以常表现多种化合价。如锰元素通常有+2~+7多种化合价。
【典型例题】
【例3】下表为某短周期元素R的各级电离能数据(用I1、I2、I3……表示,单位 kJ·mol-1)。下列关于元素R的判断正确的是(　　)。
元素 I1 I2 I3 I4 I5 ……
R 738 1451 7733 10540 13630 ……
A.R元素同周期相邻元素的第一电离能均大于738 kJ·mol-1
B.R元素位于元素周期表的ⅡA族
C.R元素位于元素周期表的p区
D.R元素基态原子的轨道表示式:
【答案】B
【解析】根据短周期元素R的各级电离能数据可知,I3发生了突变,故R的价电子数为2,即为ⅡA族元素,又由于其核外电子数多于5个,故R为Mg而不是Be。同周期元素的第一电离能:ⅡA族>ⅢA族>ⅠA族,故R元素同周期相邻元素的第一电离能均小于738 kJ·mol-1,A项错误;R元素位于元素周期表的ⅡA族,为Mg元素,B项正确;R元素位于元素周期表的ⅡA族,属于s区,C项错误;R元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s2,轨道表示式为,D项错误。
【例4】某元素X的逐级电离能如图所示,下列说法正确的是(　　)。
A.X元素为+4价
B.X为非金属元素
C.X为第5周期元素
D.X与氯气反应时最可能生成的阳离子为X3+
【答案】D
【随堂检测】
1.下列元素中按第一电离能递增的顺序排列的是(　　)。
A.Li、Na、K B.Na、Al、S
C.P、Si、Al D.Cl、Br、I
【答案】B
【解析】同周期元素从左到右,第一电离能在总体上呈现从小到大的变化趋势,同主族元素从上到下,第一电离能逐渐减小。
2.具有下列电子排布的元素中,第一电离能最小的是(　　)。
A.ns2np3 B.ns2np4 C.ns2np5 D.ns2np6
【答案】B
【解析】ns2np3为半充满稳定结构,第一电离能为ns2np3>ns2np4,对于题给四个选项,其第一电离能由小到大的顺序为ns2np43.(2021·江苏卷)前四周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大,X是空气中含量最多的元素,Y的周期序数与族序数相等,基态时Z原子3p原子轨道上有5个电子,W与Z处于同一主族。下列说法正确的是(　　)。
A.原子半径:r(X)B.X的第一电离能比同周期相邻元素的大
C.Y的最高价氧化物对应水化物的酸性比Z的强
D.Z的最简单氢化物的热稳定性比W的弱
【答案】B
【解析】前四周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大,X是空气中含量最多的元素,则X为N;Y的周期序数与族序数相等,其原子序数大于N,则Y位于第3周期ⅢA族,为Al;基态时Z原子3p原子轨道上有5个电子,其核外电子排布式为1s22s22p63s23p5,则Z为Cl;W与Z处于同主族,W的原子序数大于Cl,则W为Br。主族元素同周期从左向右原子半径逐渐减小,同主族从上到下原子半径逐渐增大,则原子半径:r(X)Br,则最简单氢化物的热稳定性Z>W,D项错误。
4.N、O、S的第一电离能(I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是 　。
【答案】N原子2p轨道半充满,比相邻的O原子更稳定,更难失电子;O、S同主族,S原子半径大于O原子,更易失电子
5.(2020·全国Ⅰ卷,节选)Goodenough等人因在锂离子电池及钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料研究方面的卓越贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。I1(Li)>I1(Na),原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】Na与Li同主族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子　Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,Be为1s22s2全充满稳定结构,第一电离能最大,与Li相比,B核电荷数大,原子半径小,较难失电子,第一电离能较大
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