2024-2025学年新教材高中化学第1章原子结构与元素性质第3节第1课时原子半径及其变化规律元素的电离能及其变化规律教案鲁科版选择性必修2

PAGE11-第1课时原子半径及其改变规律元素的电离能及其改变规律发展目标体系构建1.相识元素的原子半径、第一电离能等元素性质的周期性改变。2.知道原子核外电子排布呈现周期性改变是导致原子半径、第一电离能周期性改变的缘由。3.了解元素周期律的应用价值。一、原子半径及其改变规律1．影响因素2．改变规律规律缘由同周期元素(从左到右)原子半径渐渐减小(除稀有气体元素外)增加的电子产生的电子间的排斥作用小于核电荷增加导致的核对外层电子的吸引作用同主族元素(自上而下)原子半径渐渐增大电子层数的影响大于核电荷增加的影响同周期过渡元素(从左到右)原子半径渐渐减小，但改变幅度不大增加的电子都排布在(n－1)d轨道上，不同元素原子的外层电子(ns)受到原子核吸引作用及内层电子排斥作用的总体效果差别不大3.应用利用原子半径和价电子数，可以定性说明元素周期表中元素原子得失电子实力所呈现的递变规律。(1)同周期元素(从左到右)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(电子层数相同,核电荷数增大))→原子半径减小→原子核对外层电子的吸引作用增加→元素原子失去电子的实力越来越弱，获得电子的实力越来越强(除稀有气体元素外)。(2)同主族元素(自上而下)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(价电子数相同,电子层数增多))→原子半径增大→原子核对外层电子的吸引作用减弱→元素原子失去电子的实力越来越强，获得电子的实力越来越弱。(3)同周期元素和同主族元素原子结构递变的综合结果是：位于元素周期表中金属元素与非金属元素分界线四周元素的原子获得或失去电子的实力都不强。二、元素的电离能及其改变规律1．电离能(1)概念：气态基态原子或气态基态离子失去一个电子所须要的最小能量。(2)符号：I，单位：kJ·mol－1。2．电离能的分类M(g)eq\o(→,\s\up16(第一电离能I1),\s\do14(失去1个e－))M＋(g)eq\o(→,\s\up16(其次电离能I2),\s\do14(失去1个e－))M2＋(g)eq\o(→,\s\up16(第三电离能I3),\s\do14(失去1个e－))M3＋(g)…且I1＜I2＜I3。3．电离能的意义(1)电离能越小，该气态原子越简洁失去电子。(2)电离能越大，该气态原子越难失去电子。(3)运用元素的电离能数据可以推断金属元素的原子在气态时失去电子的难易程度。4．递变规律(1)(2)同种元素的原子，电离能逐级增大。5．影响因素1．推断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)氮原子的原子半径及第一电离能都比氧原子的大。 (√)(2)电子层数越多，原子半径越大。 (×)(3)同一周期的离子半径也是从左到右渐渐减小。 (×)(4)因同周期元素的原子半径从左到右渐渐减小，故第一电离能依次增大。 (×)(5)同周期元素，碱金属元素的第一电离能最小，稀有气体元素的最大。 (√)2．具有下列核外电子排布式的原子，其半径最大的是()A．1s22s22p3 B．1s22s22p1C．1s22s22p63s23p1 D．1s22s22p63s23p4C[依据原子的核外电子排布式可知，A项中原子为氮(N)，B项中原子为硼(B)，C项中原子为铝(Al)，D项中原子为硫(S)。依据原子半径改变规律可知，Al原子半径最大。]3．下列关于电离能的说法正确的是()A．同主族元素，自上而下第一电离能渐渐减小，金属性渐渐增加B．钠的电离能I2≫I1，说明钠元素常显＋1价，镁的电离能I3≫I2，则镁常显＋1和＋2价C．Na原子在不同状态失去1个电子所需能量相同D．同一原子的电离能大小I1＞I2＞I3A[B项，镁的电离能I3≫I2，则镁常显＋2价；C项，Na原子在基态和激发态时失去1个电子所需能量不相同；D项，对同一原子的电离能来说I1<I2<I3，故选A。]微粒半径大小规律(素养养成——宏观辨识与微观探析)1．原子半径的大小受哪些因素影响？提示：电子层数、核电荷数、核外电子数。2．为什么过渡元素的原子半径在同一周期内改变幅度不大？提示：同一周期过渡元素增加的电子都分布在(n－1)d轨道上，电子间的排斥作用与核对电子吸引作用大致相当，所以过渡元素的原子半径在同一周期内改变幅度不大。影响微粒半径的因素主要是核电荷数和电子层数。一般来说，同周期中，核电荷数越大，半径越小；同主族中，电子层数越多，半径越大。主要有以下规律：微粒特点比较方法实例原子同周期元素核电荷数越大，半径越小r(Na)>r(Mg)>r(Al)同主族元素核电荷数越大，半径越大r(F)<r(Cl)<r(Br)多数原子一般电子层数越多，半径越大r(S)>r(C)离子具有相同电子层结构核电荷数越大，半径越小r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)电子数和核电荷数均不同通过电子数或核电荷数相同的微粒做参照物r(Al3＋)<r(O2－)<r(S2－)同种元素的原子和离子价态越高，半径越小r(Fe)>r(Fe2＋)>r(Fe3＋)、r(H－)>r(H)>r(H＋)微点拨：可用“三看”法快速推断简洁微粒半径大小“一看”电子层数：最外层电子数相同时，电子层数越多，半径越大。“二看”核电荷数：当电子层结构相同时，核电荷数越大，半径越小。“三看”核外电子数：当电子层数和核电荷数均相同时，核外电子数越多，半径越大。【例1】下列微粒半径大小比较正确的是()A．Na＋＜Mg2＋＜Al3＋＜O2－B．S2－＞Cl－＞Na＋＞Al3＋C．Na＜Mg＜Al＜SiD．Cs＜Rb＜K＜NaB[A中四种离子核外电子排布相同，核电荷数越大，半径越小；B中S2－与Cl－，Na＋与Al3＋的核外电子排布分别相同，S2－和Cl－比Na＋和Al3＋多一个电子层，微粒半径大；C中微粒电子层数相同，核电荷数越大，半径越小，应为Na＞Mg＞Al＞Si；D中微粒为同一主族，电子层数越多，原子半径越大，应为Cs＞Rb＞K＞Na。]原子半径的大小可依据元素周期表同主族、同周期递变规律进行比较；对核外电子层结构相同的单核粒子或质子数相同的不同单核粒子的半径大小的比较，应从原子核对其最外层上电子的吸引力大小入手，进而比较其半径大小关系。1．已知An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都有相同的电子层结构，则A、B、C、D的原子半径由大到小的依次是()A．C＞D＞B＞A B．A＞B＞C＞DC．D＞C＞A＞B D．A＞B＞D＞CD[电子层结构相同的离子An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－，阳离子在阴离子的下一周期，则原子序数大小依次是B>A>C>D，一般来说，电子层数越多，原子半径越大，同一周期元素原子半径随着原子序数的增大而减小，C、D处于同一周期，原子半径：D>C；A、B处于同一周期，原子半径：A>B，故原子半径大小依次是A>B>D>C，D正确。]2．下列关于微粒半径的说法正确的是()A．电子层数少的元素的原子半径肯定小于电子层数多的元素的原子半径B．核外电子层结构相同的单核粒子，半径相同C．质子数相同的不同单核粒子，电子数越多半径越大D．原子序数越大，原子半径越大C[由于同周期主族元素从左到右原子半径渐渐减小，故ⅦA族元素的原子半径不肯定比上一周期ⅠA族元素原子半径大，如r(Li)>r(S)>r(Cl)。对于核外电子层结构相同的单核离子和原子，半径是不同的。质子数相同的不同单核粒子，阴离子半径>原子半径>阳离子半径。原子序数越大，原子半径不肯定越大，对于同周期主族元素(稀有气体除外)，原子序数越大，原子半径越小。]电离能改变规律及其应用(素养养成——证据推理与模型认知)元素电离能(kJ·mol－1)钠镁铝第一电离能496738577其次电离能456214511817第三电离能691277332745第四电离能954010540115781.试用原子结构学问说明Mg比Al的第一电离能大的缘由。提示：Mg的电子排布式为1s22s22p63s2；Al的电子排布式为1s22s22p63s23p1，Mg的3p轨道处于全空状态，3s轨道处于全充溢状态，相对稳定，故Mg的第一电离能大于Al的第一电离能。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？化合价与原子结构有什么关系？提示：钠原子的第一电离能较低，而其次电离能突跃式变高，也就是说，I2≫I1。这说明钠原子很简洁失去一个电子成为＋1价阳离子，形成稀有气体元素原子的稳定状态后，核对外层电子的有效吸引作用变得更强，不易再失去第2个电子。因此，钠元素的常见化合价为＋1价；同理分析镁和铝。1．影响电离能的因素电离能的数值大小主要取决于原子的核电荷数、原子半径以及原子的电子构型。(1)一般来说，同一周期的元素具有相同的电子层数，从左到右核电荷数渐渐增大，原子的半径渐渐减小，核对最外层电子的引力渐渐加大，因此，越靠右的元素越不易失去电子，电离能也就越大。(2)同一主族元素电子层数不同，最外层电子数相同，原子半径渐渐增大起主要作用，因此半径越大，核对最外层电子的引力越小，越易失去电子，电离能也就越小。(3)电子构型是影响电离能的第三个因素某些元素具有全充溢或半充溢的电子构型，稳定性也较高，如ⅡA族Be、Mg等元素原子的最外层s原子轨道全满、p原子轨道全空，ⅤA族N、P等元素原子p原子轨道为半充溢状态，0族元素(He除外)原子p原子轨道为全满状态，均稳定，所以它们比左右相邻的元素的第一电离能大。2．逐级电离能(1)定义：原子的＋1价气态基态离子再失去1个电子所须要的最低能量叫做其次电离能，依次类推。可以表示为M(g)=M＋(g)＋e－I1(第一电离能)；M＋(g)=M2＋(g)＋e－I2(其次电离能)；M2＋(g)=M3＋(g)＋e－I3(第三电离能)……(2)改变规律①同一元素的逐级电离能是渐渐增大的，即I1<I2<I3<……，这是由于原子失去一个电子变成＋1价阳离子后，半径变小，核电荷数未变而电子数目变少，核对电子的吸引作用增加，因而其次个电子比第一个电子难于失去，失去其次个电子比失去第一个电子须要更多的能量。同理，I3>I2、I4>I3……In＋1>In。②元素的逐级电离能渐渐增大并且会发生一个突变即突然增大多倍，这是由于电子是分层排布的，主族元素几乎不能失去内层电子的原因。如Na原子的I1、I2、I3的值分别是(单位为kJ·mol－1)496、4562、6912，在I1和I2之间发生突变。3．电离能的应用(1)用来衡量原子失去电子的难易，比较金属的活泼性和元素的金属性。一般地，元素的第一电离能越小，金属性越强；碱金属元素的第一电离能越小，碱金属越活泼。(2)推断原子易失去电子的数目和元素的化合价元素的各级电离能渐渐增大并且会发生一个突变(由于电子是分层排布的，内层电子比外层电子难于失去，因此会发生突变)，如Mg原子的I1、I2、I3的值分别是(单位为kJ·mol－1)738、1451、7733，在I2和I3之间发生突变，则镁元素易失去最外层2个电子，常见化合价为＋2价。(3)金属活动性依次与相应的电离能的大小依次不一样的缘由金属活动性按K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)Cu、Hg、Ag、Pt、Au的依次减弱，该依次表示自左向右，在水溶液中金属单质中的原子失去电子越来越困难。电离能是指金属原子在气态时失去电子成为气态阳离子的实力，它是金属原子在气态时活泼性的量度。由于金属活动性依次与电离能所对应的条件不同，所以二者不行能完全一样。如，钠的第一电离能为496kJ·mol－1，钙的第一电离能和其次电离能分别为590kJ·mol－1、1145kJ·mol－1，表明钠原子比钙原子在气态更易失去电子，更加活泼。但是，由于Ca2＋形成水合离子时放出的能量远比Na＋形成水合离子时放出的能量多，所以在水溶液里钙原子比钠原子更易失去电子，即在金属活动性依次中钙排在钠的前面。【例2】依据下列五种主族元素的电离能数据(单位：kJ·mol－1)，回答下列问题。元素符号I1I2I3I4Q2080400061009400R500460069009500S7401500770010500T5801820275011600V420310044005900(1)在元素周期表中，最有可能处于同一族的是_____________________。A．Q和RB．S和TC．T和VD．R和TE．R和V(2)它们的氯化物的化学式，最有可能正确的是______________________。A．QCl2B．RClC．SCl3D．TClE．VCl4(3)下列元素，最有可能与Q元素位于同一族的是______________________。A．硼B．铍C．锂D．氢E．氦(4)在这5种元素中，最简洁与氯元素形成离子化合物的是________。A．QB．RC．SD．TE．V[解析]各级电离能发生突变的状况是R：I2≫I1，S：I3≫I2，T：I4≫I3，V：I2≫I1，它们通常在化合物中的化合价分别为＋1、＋2、＋3、＋1。Q的第一电离能比其他元素的第一电离能明显高得多，最有可能是稀有气体元素。(1)五种元素中，只有R和V电离能发生突变的状况相同。(2)Q可能是稀有气体元素，其他元素的氯化物的化学式可能是RCl，SCl2，TCl3，VCl。(3)Q可能是稀有气体元素，与氦都位于0族。(4)第一电离能越小，元素的金属性越强，越易形成离子化合物，V的第一电离能最小。[答案](1)E(2)B(3)E(4)E[借题发挥]依据表中的数据，你认为V最可能是前四周期的哪种元素。提示：钾元素。因为V易形成＋1价化合物，所以是ⅠA族的元素；因为最少有四个电子，所以解除了氢元素和锂元素，又因为R也易形成＋1价化合物，也是ⅠA族的元素，且第一电离能大于V，所以前四周期V只能是钾元素。由电离能推断元素化合价时，关键看电离能数据的改变趋势。相邻两电子层能量相差较大时，电离能发生突跃，说明再失去一个电子的难度增加许多，由此可推断最外层上的电子数，进而推断其可能化合价并由此推断出其阳离子所带的正电荷。1．下列各组元素中，按原子半径依次减小、元素第一电离能渐渐上升的依次排列的是()A．K、Na、Li B．Al、Mg、NaC．N、O、C D．Cl、S、PA[B、D项中元素的原子半径渐渐增大；C项中原子半径：C＞N＞O，第一电离能：N＞O＞C。]2．A、B都是短周期元素，原子最外层电子排布式分别为(n＋1)sx、nsx＋1npx＋3。A与B可形成化合物C和D。D溶于水时有气体逸出，该气体能使带火星的木条复燃。请回答下列问题。(1)比较电离能：①I1(A)________I1(B)(填“>”或“<”，下同)，②I1(B)________I1(He)。(2)通常A元素的化合价是________，对A元素呈现这种价态进行说明：①用原子结构的观点进行说明：_________________________________________________________________________________________________。②用电离能的观点进行说明：__________________________________________________________________________________________________。(3)写出D跟水反应的离子方程式：_______________________________。[解析]由s能级最多能容纳2个电子和B原子最外层电子排布式为nsx＋1npx＋3可知，x等于1。由A、B都是短周期元素和它们组成的化合物的性质可知，n等于2，A是钠元素，B是氧元素。[答案](1)①＜②＜(2)＋1①钠原子失去一个电子后核外电子排布式为1s22s22p6，原子轨道处于全充溢状态，该＋1价阳离子体系能量低，极难再失去电子②Na原子的第一电离能相对较小，其次电离能比第一电离能大许多，通常Na原子只能失去一个电子(3)2Na2O2＋2H2O=4Na＋＋4OH－＋O2↑如图所示，是部分元素第一电离能改变状况。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？提示：因为金属元素原子的最外层电子数都比较少，简洁失去电子，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比较多，不简洁失去电子，稀有气体元素原子外围电子排布式为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ⅡA族，ⅤA族元素的第一电离能大于相邻的元素？提示：当原子核外电子排布在能量相等的轨道上形成全空(p0、d0、f0)或半充溢(p3、d5、f7)或全充溢(p6、d10、f14)结构时原子处于能量较低状态(即洪特规则特例)，所以失电子所需能量较大，即I1较大。ⅡA族元素原子满意ns2np0、ⅤA族元素原子满意ns2np3，故它们的第一电离能大于相邻元素。通过本情境素材中电离能改变规律及其缘由说明，提升了“证据推理与模型认知”的学科素养，培育了“发觉问题，解决问题”的实力。1．下列微粒半径依次增大的是()A．同一主族元素随着原子序数的递增B．同一周期的元素随着原子序数的递增C．Na＋、Mg2＋、Al3＋、F－D．P、S、S2－、Cl－A[依据比较微粒半径大小的规律进行分析，同一主族，随着原子序数的递增，原子的电子层数依次增加，原子半径依次增大，A项正确；一般来说，同一周期，随着原子序数的递增，原子半径渐渐减小，B项错误；C项中各微粒的电子层结构相同，核电荷数越大，半径越小，故半径F－最大，Al3＋最小，C项错误；D项中的微粒半径P＞S，S2－＞Cl－，D项错误。]2．(素养题)已知下列元素的原子半径：原子NSOSi半径r/10－100.751.020.741.17依据以上数据，磷原子的半径可能是()A．0.8×10－10m B．1.10×10－C．1.20×10－10m D．0.7×10－B[磷元素在第3周期中硫元素和硅元素之间，即P的原子半径在1.02×10－10～1.17×10－10m3．具有下列电子层结构的原子，其第一电离能由大到小排列正确的是()①3p轨道上只有一对成对电子的原子②外围电子排布为3s23p6的原子③其3p轨道为半充溢的原子④正三价的阳离子的电子层结构与氖原子结构相同A．①②③④ B．③①②④C．②③①④ D．②④①③C[本题考查同周期元素第一电离能的递变规律，题中所述结构的原子都是第3周期元素。②是稀有气体Ar，其第一电离能最大。①是硫原子，③是磷原子，④是铝原子。I1(Al)最小，S虽然在P的右边，但磷原子3p轨道是3