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2.2 第2课时　元素第一电离能的周期性变化
【学习目标】
1.能解释主族元素第一电离能变化的一般规律。
2.能利用第一电离能、电子排布式判断周期表中某些元素的特殊性质。
3.初步形成不同事物之间存在内在联系的观点。
【合作探究】
【学习情境】
六氟合铂酸氙——第一个稀有气体化合物 1962年,英国化学家巴特列特通过实验发现了具有强氧化性的PtF6(g)可以将O2分子氧化成,从而反应生成新的化合物。他考虑到Xe电离一个电子(变成Xe+)所需要吸收的能量,与O2电离一个电子(变成)所需要吸收的能量非常相近,进行了模仿O2的这一反应,最终成功合成了Xe的化合物。
任务1　第一电离能的周期性变化
【新知生成】
1.元素第一电离能是气态原子失去一个电子形成+1价气态阳离子所需要的　　　　　　。符号: 　　　　。
2.元素第一电离能的意义:可以衡量元素的气态原子　　　　　　　的难易程度。第一电离能数值越小,原子越容易失去一个电子;第一电离能数值越大,原子越难失去一个电子。
3.同主族元素第一电离能变化规律
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)从数据看,两族元素I1大小关系为　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)同族元素第一电离能变化规律为　　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　。
　　4.同周期元素第一电离能变化规律
(1)同周期元素第一电离能总体趋势为　　　　　　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)图中第三周期元素的第一电离能镁大于铝,磷大于硫,写出它们的核外电子排布式,解释出现反常的原因:　 。
【答案】1.最低能量　I1
2.失去一个电子
3.(1)卤族元素的第一电离能远大于碱金属元素的
(2)从上到下逐渐减小　原子半径逐渐增大,失电子能力逐渐增强
4.(1)从左到右呈增大的趋势　同周期元素从左到右,原子半径逐渐减小,失电子能力减弱,I1逐渐增大
(2)镁原子的电子排布式为1s22s22p63s2,铝原子的电子排布式为1s22s22p63s23p1,镁原子的3s轨道为全充满状态,难失电子,所以它的第一电离能比铝的大。磷原子的电子排布式为1s22s22p63s23p3,硫原子的电子排布式为1s22s22p63s23p4,磷原子的3p轨道为半充满状态,难失电子,所以它的第一电离能比硫的大
【核心突破】
　　典例1　下列说法正确的是 (　　)
A.第3周期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】同周期元素从左到右第一电离能呈逐渐增大的趋势,碱金属第一电离能最小,稀有气体元素的第一电离能最大,A项正确,C项错误;镁的外围电子排布式为3s2,铝的外围电子排布式为3s23p1,镁为全充满状态,较难失去电子,故其第一电离能要大于铝的第一电离能,B项错误;根据同主族、同周期主族元素第一电离能的递变规律可以推测,第一电离能:K　　典例2　元素的第一电离能可以衡量元素的气态原子失去一个电子的难易程度。请回答下列问题:
(1)元素的第一电离能:Al　　　　(填“>”或“<”)Si。
(2)第2周期元素中,第一电离能介于B、N之间的有　　　　种。
(3)S、N、O三种元素的第一电离能由大到小的顺序为　　　　　　　　(用元素符号表示)。
【答案】(1)<　(2)3　(3)N>O>S
【解析】(1)同一周期元素自左向右,第一电离能呈增大趋势,第一电离能Al(2)同周期元素的第一电离能从左到右呈增大的趋势,但ⅡA和ⅤA族元素的第一电离能比同周期相邻主族元素的都大,所以符合要求的元素有Be、C、O。
(3)N、O元素属于同一周期,基态N原子2p轨道容纳3个电子,处于半充满状态,比较稳定,N元素的第一电离能大于O元素的第一电离能,O、S属于同一主族,且S元素的原子序数大于O元素,S元素的第一电离能小于O元素的第一电离能,所以第一电离能由大到小的顺序是N>O>S。
归纳总结　影响电离能的因素
电离能数值的大小主要取决于原子的核电荷数、原子半径及原子的核外电子排布。同一周期从左到右,元素的核电荷数逐渐增大,原子半径逐渐减小,电离能呈增大趋势;同一主族,核电荷数越大,半径越大,电离能越小;原子轨道处于全空、全充满稳定状态和半充满的稳定状态,电离能较大。
　　训练1　下列原子的外围电子排布中,对应第一电离能最大的是 (　　)
A.ns2np1　 B.ns2np2　 C.ns2np3　 D.ns2np4
【答案】C
【解析】当原子轨道处于全满、半满时,具有的能量较低,原子较稳定,第一电离能较大。
　　训练2　回答下列有关元素电离能的问题:
(1)Li及其元素周期表中相邻元素的第一电离能(I1):I1(Li)>I1(Na),原因是　 。
(2)I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是　 。
(3)元素的第一电离能I1(Zn)　　　　(填“大于”或“小于”)I1(Cu),原因是　 。
【答案】(1)Na与Li同族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子
(2)Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,基态Be原子为1s22s2全满稳定结构,第一电离能最大,与Li相比,B核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大
(3)大于　Zn核外电子排布为全满稳定结构,较难失电子
【解析】同主族元素,最外层电子数相同,从上至下,电子层数逐渐增多,原子半径逐渐增大,原子核对最外层电子的吸引能力减小,第一电离能逐渐减小,所以I1(Li)>I1(Na)。
(2)同周期元素,电子层数相同,从左至右,原子半径减小,原子核对最外层电子的吸引能力增大,第一电离能呈增大趋势,但由于ⅡA族元素基态原子s能级轨道处于全充满的状态,能量更低更稳定,所以其第一电离能大于同一周期的ⅢA族元素,因此I1(Be)>I1(B)>I1(Li)。
(3)基态原子核外电子排布式:Zn为1s22s22p63s23p63d104s2,Cu为1s22s22p63s23p63d104s1,Zn核外电子排布为全满稳定结构,较难失电子,因此其第一电离能比铜的大。
任务2　电离能的应用
【新知生成】
1.1~36号元素第一电离能的变化规律
(1)同周期元素第一电离能总体变化趋势是　　　　　　　　　　,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)同周期第一电离能最大的元素是　 ,原因是　　　　　　　　　　　。
2.根据第一电离能的定义,确定第二电离能、第三电离能的定义:　 。
【答案】1.(1)从左到右呈增大趋势　同周期元素从左到右,原子半径逐渐减小,失电子能力减弱,I1逐渐增大
(2)稀有气体元素　稀有气体原子最外层处于全充满状态,达稳定结构,失电子能力弱
2.从+1价气态阳离子中再失去一个电子形成+2价气态阳离子所需要的最低能量叫作第二电离能,符号为I2。类似用I3、I4……表示元素的第三、第四……电离能。
【核心突破】
　　典例3　下列有关电离能的说法中正确的是 (　　)
A.对于同一元素而言,原子的电离能I1>I2>I3……
B.钾比钠活泼,所以钾的第一电离能大于钠的第一电离能
C.同一周期中,主族元素的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,判断元素可能的化合价
【答案】D
【解析】对于同一元素来说,原子失去电子个数越多,其失电子能力越弱,所以原子的电离能随着原子失去电子个数的增多而增大,A项错误;钾的活泼性强于钠,说明钾失电子能力比钠强,所以钾元素的第一电离能小于钠元素的第一电离能,B项错误;从总的变化趋势上看,同一周期中主族元素的第一电离能从左到右越来越大,但也有反常,如I1(N)>I1(O),C项错误;层与层之间电离能相差较大,电离能数值发生突跃,层内电离能的差别较小,可以根据电离能的数据判断元素可能的化合价,D项正确。
　　典例4　分析下列图表,回答问题。
(1)N、Al、Si、Ge四种元素中,有一种元素的电离能数据如下:
电离能 I1 I2 I3 I4 ……
In/(kJ·mol-1) 578 1817 2745 11578 ……
　　则该元素是　　　　(填写元素符号)。
(2)某短周期主族元素M的电离能如图所示。则M元素位于周期表的　　　　族。
【答案】(1)Al　(2)ⅡA
【解析】(1)因为I4 I3,所以该元素原子最外层有3个电子,为铝元素。
(2)元素M的各级电离能逐渐增大,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价阳离子非常困难,说明元素M失去2个电子后达到稳定结构。
归纳总结　电离能的应用
(1)确定元素原子的核外电子排布
如Li:I1 I2(2)确定元素在化合物中的化合价
如K元素I1 I2注意:由电离能的递变规律可知,同周期主族元素从左到右,元素的第一电离能呈增大趋势,但ⅡA族Be、Mg、Ca的第一电离能分别比同周期ⅢA族B、Al、Ga的第一电离能要大;ⅤA族N、P、As的第一电离能分别比同周期ⅥA族O、S、Se的第一电离能要大。这是由于ⅡA族元素的最外层电子排布式为ns2,为全充满状态,而ⅤA族元素的最外层电子排布式为ns2np3,为半充满状态,较稳定。
　　训练3　已知X、Y是主族元素,I为电离能,单位是 kJ·mol-1。请根据下表所列数据判断,错误的是 (　　)
元素 I1 I2 I3 I4
X 500 4600 6900 9500
Y 580 1800 2700 11600
　　A.元素X的常见化合价是+1
B.元素Y是ⅢA族元素
C.元素X与氯形成化合物时,化学式可能是XCl
D.若元素Y处于第3周期,则其单质可与冷水剧烈反应
【答案】D
【解析】由表中数据知:X的电离能I1 I2　　训练4　不同元素的第一电离能数据(单位kJ·mo)如下图所示。
试根据元素在周期表中的位置,分析图中曲线的变化特点,并回答下列问题:
(1)同主族内不同元素的I1值变化的特点是　　　　　　　　　　　　　,各主族中I1值的这种变化特点体现了元素性质的　　　　变化规律。
(2)试预测下列关系式中正确的是　　　　(填序号)。　
①I1(砷)>I1(硒)　　②I1(砷)③I1(溴)>I1(硒)　　④I1(溴)(3)估计1 mol气态钙原子失去最外层一个电子所需能量(E)的范围:　　　　kJ(4)10号元素I1值较大的原因是　 。
【答案】(1)随着原子序数增大,I1值变小　周期性
(2)①③　(3)419　738
(4)10号元素为氖,该元素原子最外层电子排布已达到8电子稳定结构
【解析】(1)从H、Li、Na、K等可以看出,同主族元素随元素原子序数的增大,第一电离能数值变小。
(2)从第2、3周期可以看出,第一电离能呈增大趋势,但ⅢA和ⅥA族元素比同周期相邻两种元素I1值都低。由此可推测I1(砷)>I1(硒)、I1(溴)>I1(硒)。　
(3)根据同主族、同周期第一电离能的变化规律可以推测:I1(K)课堂小结
【随堂检测】
1.下列元素的第一电离能是按由大到小的顺序排列的是 (　　)
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】同周期元素从左到右第一电离能呈逐渐增大趋势,ⅡA、ⅤA族元素原子最外层为半充满或全充满状态,较稳定,第一电离能较大,大于相邻元素,N、O、Mg、Al的第一电离能按由大到小的顺序排列是N、O、Mg、Al,A项正确;同主族自上而下电离能逐渐降低,I、Br、Cl、F的第一电离能按由大到小的顺序排列是F、Cl、Br、I,B项错误;Br、Se、As、Ge的第一电离能按由大到小的顺序排列是Br、As、Se、Ge,C项错误;Li、C、N、F的第一电离能按由大到小的顺序排列是F、N、C、Li,D项错误。
2.某元素X的逐级电离能如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.X元素显+4价
B.X为非金属
C.X为第5周期元素
D.X与氯反应时最可能生成的阳离子为X3+
【答案】D
【解析】根据电离能图可知,该元素的第三电离能和第四电离能之间的差距最大,所以该原子的最外层有3个电子,在化合物中通常显+3价,与氯反应时最可能生成的阳离子为X3+。ⅢA族元素有金属元素也有非金属元素,根据已知条件无法确定该元素为非金属元素,也无法确定是哪个周期的元素。
3.现有5种元素A、B、C、D、E,其中有三种金属元素,一种稀有气体元素,它们的I1~I3分别如表所示。
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
根据上表数据判断,其中的金属元素有　　　　,稀有气体元素有　　　　,最活泼的金属元素是　　　　,显+2价的金属元素是　　　　。(用字母回答)
【答案】B、C、D　E　B　D
【解析】元素的第一电离能越小,说明该元素的原子越容易失去电子,金属性越强;元素的第一电离能越大,说明该元素的原子越难失去电子,非金属性越强(稀有气体除外)。表中B、C、D三种元素的第一电离能相对较小,应该属于金属元素;E元素的第一电离能最大,应是稀有气体元素;D元素的第二电离能相对最小,且第三电离能最大,说明D元素原子较容易失去两个电子,应该是显+2价的金属元素。
4.下表是元素周期表的一部分,表中所列的字母分别代表一种元素。回答下列问题:
(1)写出e元素的基态原子核外电子排布式:　　　　　。
(2)上述第3周期元素中第一电离能(I1)最大的是　　　　(用元素符号表示,下同),c和f的I1大小关系是　　　>　　　　。
【答案】(1)1s22s22p63s23p63d14s2{或[Ar]3d14s2}
(2)Ar　Mg　Al
【解析】所列13种元素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属于第3周期元素,Ar的I1最大。Mg、Al的核外电子排布式分别为1s22s22p63s2、1s22s22p63s23p1,Mg的3s轨道为全充满状态,故其I1比Al的I1大。
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