2024-2025学年高中化学第1章第3节第1课时电离能及其变化规律教案鲁科版选修3

PAGEPAGE12第1课时电离能及其改变规律[学习目标定位]1.知道原子结构与元素性质间的关系规律。2.正确理解元素电离能的含义及其改变规律，会用电离能的概念分析说明元素的某些性质。一元素的电离能及其改变规律1．元素的电离能(1)电离能的概念：气态原子或气态离子失去一个电子所须要的最小能量叫做电离能，常用符号I表示，单位为kJ·mol－1。电离能越小，表示在气态时该原子越简单失去电子；反之，电离能越大，表示在气态时该原子越难失去电子。(2)第一电离能是处于基态的气态原子失去一个电子，生成＋1价气态阳离子所须要的能量，符号为I1。M(g)=M＋(g)＋e－I1原子为基态时，失去电子时消耗的能量最低。(3)其次电离能是由＋1价气态阳离子再失去一个电子形成＋2价气态阳离子所须要的能量，符号为I2。依次还有第三电离能I3，第四电离能I4等。M＋(g)=M2＋(g)＋e－I2M2＋(g)=M3＋(g)＋e－I3同一元素的电离能按I1、I2、I3……依次，改变规律是依次增大。2．元素第一电离能改变规律(1)元素第一电离能的改变趋势如下图所示：(2)视察分析上图，回答下列问题：①同一周期元素的第一电离能有怎样的改变规律？其缘由是什么？答案同一周期，从左到右，第一电离能总体上渐渐增大，表示元素原子越来越难失去电子。缘由：随着核电荷数增大，原子半径渐渐减小，核对外层电子的有效吸引作用依次增加。②同一主族元素的第一电离能有怎样的改变规律？其缘由是什么？答案同一主族，自上而下，第一电离能渐渐减小，表明元素原子越来越简单失去电子。缘由：同主族元素原子的价电子数相同，原子半径渐渐增大，原子核对核外电子的有效吸引作用渐渐减弱。③过渡元素的第一电离能改变有何特点？其缘由是什么？答案过渡元素的第一电离能改变不太规则，同一周期，从左到右，第一电离能略有增加。缘由：对这些元素的原子来说，增加的电子大部分排布在(n－1)d或(n－2)f轨道上，原子核对外层电子的有效吸引作用改变不是太大。④氮、磷、镁、锌等元素的第一电离能的改变出现反常的缘由是什么？答案能量相同的轨道具有全充溢、半充溢及全空的电子构型的元素稳定性较高，其第一电离能数值较大。如稀有气体的电离能在同周期元素中最大，N、P的p轨道为半充溢，Mg的p轨道为全空状态，Zn的d轨道为全充溢，其第一电离能均比同周期相邻元素大。[归纳总结]1．电离能数值的大小主要取决于原子的核电荷数、原子半径及原子的电子构型。2．同周期元素，随着Z增大，I1增大。碱金属元素的第一电离能最小。稀有气体元素的第一电离能最大。同主族元素，随着n增大，I1减小。3．当相邻逐级电离能突然变大时说明电子的电子层发生了改变，即同一电子层中电离能相近，不同电子层中电离能有很大的差距。[活学活用]1．下列说法中不正确的是()A．同族元素，随着电子层数的增加，I1渐渐增大B．同周期元素，随着核电荷数的增加，I1渐渐增大C．通常状况下，电离能I1<I2<I3D．电离能越小，元素的金属性越强答案A解析同族元素，随着电子层数增加，原子半径增大，原子核对核外电子的有效吸引作用渐渐减弱，越来越简单失去电子，第一电离能渐渐减小，故A错。2．下列叙述中正确的是()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．在全部元素中，氟的第一电离能最大D．钾的第一电离能比镁的第一电离能大答案A解析同周期中碱金属的第一电离能最小，稀有气体的第一电离能最大，故A正确，C不正确；由于镁的价电子排布为3s2(3p轨道全空)，而Al的价电子排布为3s23p1，故铝的第一电离能小于镁的，B不正确；钾比镁活泼更易失电子，钾的第一电离能小于镁，D错误。二电离能的应用1．比较金属的活泼性和元素的金属性碱金属元素的第一电离能越小，碱金属元素的原子越简单失去电子，碱金属的活泼性越强；一般状况下，元素的第一电离能越小，元素的金属性越强。2．推断原子易失去电子的数目和元素的化合价下表为Na、Mg、Al的电离能(kJ·mol－1)。元素eq\x(电离能)NaMgAlI1496738577I2456214511817I3691277332745I495431054011575分析上表中各元素电离能的改变，回答下列问题：(1)钠原子为什么简单失去1个电子成为＋1价的阳离子？答案钠原子的I2≫I1，说明钠原子很简单失去1个电子成为＋1价阳离子，形成Na＋：1s22s22p6稳定结构后，核对外层电子的有效吸引作用变得更强。因此，钠元素常见价态为＋1价。一般状况下，钠原子不能形成＋2价阳离子。(2)上表中能够说明镁、铝原子通常分别形成Mg2＋、Al3＋的依据是什么？答案说明镁原子通常形成＋2价阳离子的依据是I3≫I2。说明铝原子通常形成＋3价阳离子的依据是I4≫I3。[归纳总结]1．通常状况下：同一元素的电离能逐级增大。因为离子的电荷正值越来越大，离子半径越来越小，所以失去这些电子渐渐变难，须要的能量越来越高。2．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。[活学活用]3．元素的第一电离能是衡量元素金属性强弱的一种尺度。下列有关说法正确的是()A．元素的第一电离能越大，其金属性越强B．元素的第一电离能越小，其金属性越强C．金属单质跟酸反应的难易，只跟该金属元素的第一电离能有关D．金属单质跟酸反应的难易，只与金属原子失去电子数目多少有关答案B4．下列原子的价电子排布式中，对应的第一电离能最大的是()A．3s23p1 B．3s23p2C．3s23p3 D．3s23p4答案C解析由于能量3p>3s，因而先失去3p轨道上的电子，而C项3s23p3中3p轨道半充溢，是较稳定状态，因而更难失去第1个电子。当堂检测1．下列关于电离能的理解中错误的是()A．电离能可以表示原子或离子失去电子的难易程度B．某原子的电离能越小，表示在气态时该原子越简单失去电子C．其次电离能是气态＋1价阳离子失去一个电子所须要的最小能量D．电离能跟金属活动性依次是对应的答案D解析电离能小的元素原子易失电子，大的易得电子，所以A、B对；C为其次电离能的定义，C对；D中，电离能有时并不和金属活动性依次一一对应，像Na和Ca，因为二者的环境不一样。2．下列各组元素，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、P答案A解析本题考查了元素第一电离能的递变规律。由同周期从左到右，元素的第一电离能渐渐增大知，B、C、D选项中均渐渐降低；同主族中，从上到下，第一电离能渐渐减小，故A渐渐上升。ⅡA族中的Be、Mg、Ca及ⅤA族的N、P、As第一电离能出现反常现象。3．下列选项中，其次电离能最大的元素所具有的电子层结构为()A．1s2 B．1s22s1C．1s22s2 D．1s22s22p1答案B解析I2最大的元素失去的应是内层上已达稳定结构的电子层上的电子。4．下表列出了某短周期元素R的各级电离能数据(用I1、I2……表示，单位为kJ·mol－1)I1I2I3I4……R7401500770010500……下列关于元素R的推断中肯定正确的是()A．R的最高正价为＋3价B．R元素位于元素周期表中第ⅡA族C．R元素的原子最外层共有4个电子D．R元素基态原子的电子排布式为1s22s2答案B解析由表中数据I3≫I2知其最高正价为＋2价，R元素位于ⅡA族，最外层有2个电子，R不肯定是Be元素。5．短周期元素X和Y可形成离子化合物，X的阳离子与Y的阴离子相差一个电子层，下列叙述正确的是()A．X和Y肯定位于周期表中同一周期B．X肯定是金属元素，Y肯定是非金属元素C．X的最高价肯定比Y的最高价低D．X的原子半径不肯定比Y的大答案B解析题意没有详细说出X的阳离子比Y的阴离子多一个电子层，还是少一个电子层。例如，H－和Na＋是相差一个电子层，但不位于同一周期；形成离子型化合物，且是两种原子形成，则其中一种必需是金属元素，另一种为非金属元素；金属的价态(短周期)最高为＋3价，而非金属价态最低为－4价，最高为＋7价。40分钟课时作业[基础过关]一、电离能及其改变规律1．下列有关电离能的说法中，正确的是()A．第一电离能越大的原子失电子的实力越强B．第一电离能是元素的原子失去核外第一个电子须要的能量C．同一周期中，主族元素原子第一电离能从左到右越来越大D．可通过一种元素各级电离能的数值，推断元素可能的化合价答案D解析A项元素原子的第一电离能越大，表示该元素的原子越难失去电子；B项电离能是气态原子或离子失去核外一个电子须要的最低能量；C项从总的改变趋势上看，同一周期中第一电离能从左到右渐渐增大，但有反常，如N>O。2．下列叙述中正确的是()A．同周期元素中，ⅦA族元素的原子半径最大B．ⅥA族元素的原子，其半径越大，越简单得到电子C．同一元素的电离能I1>I2>I3>I4…D．同一周期中，碱金属元素的第一电离能最小答案D解析本题主要考查元素周期表中，同周期、同主族元素性质的一些递变规律。同周期，从左到右，原子半径渐渐减小，得电子实力渐渐增加。A项错，在同周期元素中ⅦA族元素的原子半径最小；B项不正确，因为在同主族元素中，原子半径越大，越难得电子；同一元素的电离能渐渐增大，I1<I2<I3<I4…，故选项C不正确；同周期中，碱金属元素的第一电离能最小，D项正确。3．下列电子构型的原子中，第一电离能最小的是()A．ns2np3 B．ns2np4 C．ns2np5 D．ns2np6答案B解析ns2np3处在半充溢状态，ns2np6处在全充溢状态，均是能量较低的状态；而ns2np4和ns2np5中，ns2np4简单失去一个电子变成ns2np3半充溢的较稳定状态，因此第一电离能最小，故B正确。4．同周期的第ⅡA、ⅤA族的元素的第一电离能作为特例比相邻两元素的都高。在①P和S，②Mg和Al，③F和Ne三组原子中，分别找出第一电离能较高的原子，这三种原子的原子序数之和是()A．35 B．36 C．37 D．38答案C解析在三组原子中第一电离能较大的分别为P、Mg、Ne，其原子序数之和为37。二、电离能数据的分析及应用5．元素X的各级电离能数据如下：I1I2I3I4I5I6I/(kJ·mol－1)57818172745115781483118378则元素X的常见价态是()A．＋1 B．＋2 C．＋3 D．＋6答案C解析对比表中电离能数据可知，I1、I2、I3电离能数值相对较小，至I4数值突然增大，说明元素X的原子中，有3个电子简单失去，因此，该元素的常见化合价为＋3。6．某元素的逐级电离能(kJ·mol－1)分别为740、1500、7700、10500、13600、18000、21700，当它与氯反应时最可能生成的阳离子是()A．X＋ B．X2＋ C．X3＋ D．X4＋答案B解析可以依据电离能数据推断其最高正价。I3≫I2，说明易失去2个电子达稳定结构，为＋2价，离子符号为X2＋。7．在下列各组元素中，有一组原子的第一电离能分别是1086kJ·mol－1、1402kJ·mol－1、1313kJ·mol－1。那么这组元素是()A．C、N、O B．F、Ne、NaC．Be、B、C D．S、Cl、Ar答案A解析通过数据分析，第一电离能先增大后减小，N原子的核外电子排布式为1s22s22p3，由于处于半充溢的稳定状态，失去电子较难，因此其第一电离能大于O。三、电离能图像题例析8．下图表示前18号元素的原子序数和气态原子失去核外第一个电子所需的能量(kJ·mol－1)的改变图像。其中A、B、C各点表示的元素是()A．N、S、P B．F、Cl、OC．He、Ne、Ar D．Si、C、B答案C解析A、B、C的第一电离能是各自周期中最大的，即最难失电子，故A、B、C是各自周期中的稀有气体元素He、Ne、Ar。9．分析下列图或表，回答问题(1)短周期某主族元素M的电离能状况如图所示。则M元素位于周期表的第________族。(2)第4周期中铁、锰两元素的部分电离能数据列于下表：元素MnFe电离能/kJ·mol－1I1717759I215091561I332482957由表中数据可知，Mn元素价电子层的电子排布式为__________，比较两元素的I2、I3可知，气态Mn2＋再失去一个电子比气态Fe2＋再失去一个电子难，对此，你的说明是__________________________。答案(1)ⅡA(2)3d54s2由Mn2＋转化为Mn3＋时，3d能级由较稳定的3d5半充溢状态转变为不稳定的3d4状态(或Fe2＋转化为Fe3＋时，3d能级由不稳定的3d6状态转变为较稳定的3d5半充溢状态)解析(1)元素M的各级电离能逐级增大，I1和I2差别较小，但I3≫I2>I1，I3突跃式变大，即失去2个电子后，再失去电子变为＋3价阳离子却特别困难，说明元素M失去2个电子后达到稳定结构。(2)Mn2＋为3d5的半充溢状态，很难失去电子，而Fe2＋为3d6，失去一个电子，即变为半充溢的3d5状态，所以Fe2＋比Mn2＋易失去电子。[实力提升]10．如图是部分元素原子的第一电离能I1随原子序数改变的曲线图。请回答以下问题：(1)细致分析图中同周期元素第一电离能的改变规律，将Na～Ar之间六种元素用短线连接起来，构成完整的图像。(2)由图分析可知，同一主族元素原子的第一电离能I1改变规律是_______________。(3)图中5号元素在周期表中的位置是_____________________________________。(4)图中出现的元素中最活泼的金属元素为________。(5)写出图中6号元素的价电子排布式________。答案(1)(2)从上到下依次减小(3)第3周期第ⅤA族(4)Rb(5)3s23p5解析(1)参考第2周期Li～Ne的图像作图。(2)同主族元素第一电离能I1改变规律是从上到下依次减小。(3)图中5号元素在周期表中的位置是第3周期第ⅤA族。(4)因同主族元素随着原子序数的增加I1渐渐减小，而1个周期中第ⅠA族元素的电离能最小，故图中所列的最活泼的金属为Rb。(5)图中6号元素为Cl，电子排布式为1s22s22p63s23p5，故价电子排布式为3s23p5。11．不同元素的气态原子失去最外层一个电子所须要的能量I1如下图所示。试依据元素在周期表中的位置，分析图中曲线的改变特点，并回答下列问题。(1)同主族内不同元素原子的I1改变的特点是______，各主族中I1的这种改变特点体现了元素性质的______改变规律。(2)同周期内，随原子序数增大，I1增大。但个别元素的I1出现反常，试预料下列关系中正确的是________(填序号)。①I1(砷)>I1(硒)②I1(砷)<I1(硒)③I1(溴)>I1(硒)④I1(溴)<I1(硒)(3)10号元素I1较大的缘由是____________________________________________。答案(1)随着原子序数增大，I1变小周期性(2)①③(3)10号元素是氖，该元素的原子最外层电子排布已达到8电子的稳定结构解析(1)从Li、Na、K等可以看出，同主族元素随原子序数的增大，I1变小；H到He、Li到Ne、Na到Ar呈现明显的周期性改变。(2)考查第一电离能与洪特规则的关系。同一周期元素的第一电离能存在一些反常，这与它们的原子价电子排布的特征有关。如镁的第一电离能比铝的大，磷的第一电离能比硫的大。基本规律：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)、半满(p3、d5、f7)和全满(p6、d10、f14)状态时，原子的能量较低，该元素具有较大的第一电离能。从第2、3周期可以看出第ⅢA、第ⅥA族元素比同周期相邻两种元素的I1都低，由此可以推想：I1(砷)>I1(硒)，I1(溴)>I1(硒)。(3)10号元素是稀有气体元素氖，已达到稳定结构，此时失去一个电子就须要很高的能量。12．下表是几种短周期金属元素原子的逐级电离能：元素XYZ电离能(kJ·mol－1)I1519502580I2729645701820I31179969202750I4955011600请细致阅读表中信息，回答下列问题：(1)由表中数据可知，从第一电离能到第四电离能，原子的逐级电离能越来越大，缘由是________________________________________________________________________。(2)X的元素符号是________，Z元素常见的最高正化合价是________。答案(1)随着电子的渐渐失去，阳离子所带的正电荷数越来越