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第1课时　元素第一电离能的周期性变化
第二单元　元素性质的递变规律
1.能从电子排布的角度解释元素周期表的分区、周期和族的划分。2.能从电子排布的角度解释主族元素第一电离能变化的一般规律。
原子核外电子排布的周期性
学习任务一
1.主族元素原子核外电子排布与性质的周期性变化
主族 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA
原子外围
电子排布 ns1 ns2 ns2np2 ns2np3 ns2np4
最高正
化合价 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
最低负
化合价 — — — -4 -3 -2 -1
ns2np1
ns2np5
化合价的变化规律 同主族 最高正化合价 ,且等于
同周期 最高正化合价逐渐升高,从 递增到
金属性和非金属性的变化规律　 同主族 从上到下,金属性逐渐增强,非金属性逐渐减弱
同周期 从左到右,金属性逐渐 ,非金属性逐渐
原子半径的变化规律　 同主族 从上到下,原子半径逐渐
同周期 从左到右,原子半径逐渐
相同
主族序数
+1
+7
减弱
增强
增大
减小
[注意] O无最高正化合价,F无正化合价。
2.元素原子的外围电子排布周期性变化
(1)第2、3周期从左到右,元素原子的外围电子排布呈现从 到 的变化。
(2)第4周期从左到右,元素原子的外围电子排布从 经过 逐渐过渡到 。
ns1
ns2np6
4s1
3d1～104s1～2
4s24p6
(3)第5周期元素原子的外围电子排布有与第4周期元素相似的变化规律。
结论:每隔一定数目的元素,元素原子的外围电子排布重复出现从 到
的周期性变化(第 1周期除外)。
3.元素周期表中区的划分
根据元素原子的 的特征,可将元素周期表分成五个区域:s区、p区、d区、ds区和f区。
(1)s区:包含 两族元素,除氢元素外,其余都是较活泼的金属元素。
ns1
ns2np6
外围电子排布
ⅠA、ⅡA
(2)p区:包含 元素,除氢元素外,所有的 元素都在p区。
(3)d区:包含 元素。(镧系、锕系除外)
(4)ds区:包含 元素。
(5)f区:包含 元素。
ⅢA～ⅦA族及 0族
非金属
ⅢB～ⅦB族、Ⅷ族
ⅠB和ⅡB族
镧系和锕系
按电子排布式中最后填入电子的能级符号可将元素周期表分为s区、p区、d区、f区,而ⅠB、ⅡB族这2个纵列的元素的核外电子因先填满了(n-1)d能级而后再填充ns能级而得名ds区。5个区的位置关系如图所示。
探究　元素周期表的分区与核外电子排布的关系
问题1:各主族元素原子的外围电子排布分别是怎样的 外围电子数与族序数有什么关系 元素分布在哪些区
提示:ⅠA族元素原子的外围电子排布为ns1,ⅡA族元素原子的外围电子排布为ns2,ⅢA族元素原子的外围电子排布为ns2np1,ⅣA族元素原子的外围电子排布为ns2np2,ⅤA族元素原子的外围电子排布为ns2np3,ⅥA族元素原子的外围电子排布为ns2np4,ⅦA族元素原子的外围电子排布为ns2np5。从中看出“主族序数=外围电子数”。ⅠA、ⅡA族元素分布在s区,ⅢA～ⅦA族元素分布在p区。
问题2:0族元素原子的外围电子排布有什么特征 属于哪一个区
提示:0族元素原子的外围电子排布为ns2np6(He为1s2),达到最外层8电子稳定结构(He为2电子稳定结构)。属于p区元素。
问题3:d区、ds区分别包含哪些族的元素 其原子的外围电子排布有何特征
提示:d区包含ⅢB～ⅦB族、(镧系、锕系除外)Ⅷ族元素,ds区包含 ⅠB族、ⅡB族元素。外围电子一般为最外层s能级及次外层d能级电子,其原子的外围电子排布一般为(n-1)d1～10ns1～2(个别元素例外)。
各区元素原子的外围电子排布及元素在周期表的位置
归纳拓展
分区 元素位置 外围电子排布式 元素种类及性质特点
s区 ⅠA族、ⅡA族 ns1～2 原子的核外电子最后排布在ns能级上,属于活泼金属元素(H除外),为碱金属元素和碱土金属元素
p区 ⅢA～ⅦA族及0族 ns2np1～6(He除外) 原子的核外电子最后排布在np能级(He为 s能级)上,为非金属元素和少数金属元素
归纳拓展
d区 ⅢB～ⅦB族(镧系、锕系除外)以及Ⅷ族 (n-1)d1～9ns1～2(Pd除外) 为过渡金属元素,原子的核外电子最后排布在(n-1)d能级上,d轨道可以不同程度地参与化学键的形成
ds区 ⅠB族、ⅡB族 (n-1)d10ns1～2 为过渡金属元素,核外电子先填满(n-1)d能级而后再填充ns能级,由于d轨道已填满电子,因此d轨道一般不参与化学键的形成
f区 镧系和锕系 (n-2)f0～14(n-1)d0～2ns2 镧系元素化学性质相似;锕系元素化学性质相似
1.已知某元素+2价离子的电子排布式为1s22s22p63s23p6,该元素在周期表中位于(　　)
A.第3周期,ⅤB族,d区
B.第4周期,ⅡB族,ds区
C.第4周期,ⅡA族,s区
D.第3周期,ⅥA族,p区
C
【解析】 由+2价离子的电子排布式为1s22s22p63s23p6可知,该元素为原子序数为20的钙元素,钙元素位于元素周期表第4周期ⅡA族,处于s区,故选C。
2.下列说法正确的是(　　)
A.所有金属元素都分布在d区和ds区
B.最外层电子数为2的元素都分布在s区
C.元素周期表中ⅢB族到ⅡB族10个纵列的元素都是金属元素
D.s区均为金属元素
C
【解析】 所有金属元素都分布在s区、d区和ds区,A错误;He、Zn等虽然最外层电子数为2,但却不是s区元素,B错误;元素周期表中ⅢB～ⅡB族元素为过渡元素,全部为金属元素,C正确;s区的氢元素为非金属元素,D错误。
3.指出下列元素是主族元素还是副族元素,在周期表中的位置是什么。
(1)1s22s22p63s2是　　　　族元素,位于周期表中第　　　周期　　　族,属于　　　区元素。
(2)[Kr]4d105s25p2是　　　族元素,位于周期表中第　　　周期　　　族,属于　　　区元素。
(3)[Ar]3d14s2是　　　族元素,位于周期表中第　　　周期　　　　族,属于
　　　 　区元素。
(4)[Ar]3d104s1是　　　族元素,位于周期表中第　　　周期　　　族,属于
　　　　区元素。
主　
3　
ⅡA　
s
主　
5　
ⅣA　
p
副　
4　
ⅢB　
d
副　
4　
ⅠB　
ds
元素第一电离能的周期性变化
学习任务二
1.第一电离能
(1)含义:某元素的 失去一个电子形成+1价 所需要的最低能量,叫该元素的第一电离能,用符号I1表示,单位为kJ·mol-1。
(2)意义:第一电离能数值越小,原子越 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。
气态原子
气态阳离子
容易
(3)变化规律。
①同主族元素的原子最外层电子数相同,随着核电荷数的增大,原子半径逐渐增大,失电子能力逐渐增强,第一电离能逐渐减小。
②同一周期的主族元素具有相同的电子层数,随着核电荷数的递增,最外层电子数增加,原子半径逐渐减小,失电子能力逐渐减弱,第一电离能呈现增大的趋势。
对同周期元素来说,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。
(4)与原子的核外电子排布的关系。
通常情况下,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)、半充满(p3、d5、f7)和全充满(p6、d10、f14)结构时,原子的能量 ,该元素具有 的第一电离能。
2.逐级电离能
(1)第二电离能。
气态离子失去1个电子,形成 气态离子所需要的最低能量,用I2表示。
较低
较大
+1价
+2价
(2)第三电离能。
气态离子再失去1个电子,形成 气态离子所需的最低能量,用I3表示。
(3)同一元素的逐级电离能I1、I2、I3……In依次 。
+2价
+3价
增大
1～36号元素的第一电离能的变化如图所示。
下表的数据从上到下是钠、镁、铝逐级失去电子的电离能。
元素 Na Mg Al
电离能/
(kJ·mol-1) 496 738 578
4 562 1 451 1 817
6 912 7 733 2 745
9 543 10 540 11 575
13 353 13 630 14 830
16 610 17 995 18 376
20 114 21 703 23 293
探究　元素电离能的变化规律及应用
问题1:仔细观察1～36号元素的第一电离能变化示意图,说一说元素第一电离能的总体变化趋势是什么样的。
提示:同一周期的元素,从左到右,第一电离能呈现增大的变化趋势;同主族元素,自上而下,第一电离能逐渐减小。
问题2:根据表中数据变化情况分析,为什么元素的电离能逐级增大
提示:由于元素的气态原子失去一个电子变成 +1价气态阳离子后,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强,因而第二个电子比第一个电子难失去,失去第二个电子比失去第一个电子需要更多的能量。同理I3>I2、I4>I3……In+1>In。
问题3:为什么Na、Mg、Al的化合价分别为+1价、+2价、+3价
提示:Na的I1比I2小很多,电离能差值很大,说明失去第一个电子比失去第二个电子容易得多,所以Na容易失去一个电子形成+1价离子;Mg的I1和I2相差不多,而I2比I3小很多,所以Mg容易失去两个电子形成+2价离子;Al的I1、I2、I3相差不多,而I3比I4小很多,所以Al容易失去三个电子形成+3价离子。
电离能的影响因素、递变规律及应用
1.电离能的影响因素及递变规律
电离能数值的大小主要取决于原子的核电荷数、半径及核外电子的排布。
(1)核电荷数、原子半径对电离能的影响。
①同周期元素具有相同的电子层数,从左到右核电荷数增大,原子半径减小,I1总体上呈现增大的趋势(而非逐渐增大,因ⅡA、ⅤA族元素出现特殊情况)。碱金属元素的I1最小,稀有气体元素的I1最大。
②同主族元素从上到下,原子半径增大起主要作用,元素的I1逐渐减小。
归纳拓展
(2)核外电子排布对电离能的影响。
①某原子或离子具有全充满、半充满、全空的电子排布时,电离能较大。如ⅡA族元素、ⅤA族元素的I1比同周期左右相邻元素的都大,这是因为ⅡA 族元素原子的最外层原子轨道为ns2全充满稳定状态,ⅤA族元素原子的最外层原子轨道为np3半充满稳定状态。各周期稀有气体元素的I1最大,原因是稀有气体元素的原子各轨道具有全充满的稳定结构。
归纳拓展
②通常情况下,元素的电离能逐级增大。因为失去电子后离子的电荷正值越来越大,离子半径越来越小,所以继续失去电子逐渐变难,需要的能量越来越高。
③当相邻逐级电离能突然变大时,说明电子所在的电子层发生了变化,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。
归纳拓展
2.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)确定元素原子核外电子的排布。
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。利用电离能的突变可以确定原子核外电子排布。
归纳拓展
(3)确定元素的化合价。
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。过渡元素的外围电子数较多,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价多种化合价。
归纳拓展
题点一　电离能大小比较
1.基态原子具有下列外围电子排布的元素中,第一电离能最小的是(n相同)
(　　)
A.ns2np3 B.ns2np4
C.ns2np5 D.ns2np6
B
【解析】 ns2np3的p轨道为半充满稳定结构,第一电离能为ns2np3>ns2np4,对于题中所给的四个选项,其第一电离能由小到大的顺序为ns2np4ns2np6,即第一电离能最小的是基态原子外围电子排布为ns2np4的元素。
2.下列状态的钙的微粒中,失去最外层一个电子所需能量最大的是(　　)
A.[Ar] 4s1 B.[Ar] 4s2
C.[Ar] 4s14p1 D.[Ar] 4p1
A
【解析】 [Ar]4s1为基态的Ca+,由于Ca的第二电离能高于其第一电离能,故其再失去一个电子所需能量较高;[Ar]4s2为基态的钙原子,其失去一个电子变为基态Ca+;[Ar]4s14p1为激发态的钙原子,其失去一个电子所需要的能量低于基态的钙原子的;[Ar]4p1属于激发态的Ca+,其失去一个电子所需要的能量低于基态的Ca+的。综上所述,失去最外层一个电子所需能量最大的是[Ar]4s1,A正确。
3.(1)比较下列元素的第一电离能大小。
①N、O、F:　　　　　　　　。
②He、Ne、Ar:　　　　　　　　。
③Na、Mg、Al:　　　　　　　。
④F、Cl、Br:　　　　　　　　。
【解析】 (1)同周期元素从左到右第一电离能依次增大,但是轨道半充满、全充满状态较为稳定,因此 F>N>O,Mg>Al>Na;同主族元素从上到下第一电离能依次减小,因此He>Ne>Ar,F>Cl>Br。
F>N>O
He>Ne>Ar
Mg>Al>Na　
F>Cl>Br
(2)元素铜与镍的第二电离能分别为ICu=1 959 kJ·mol-1,INi=1 753 kJ·mol-1,
ICu>INi的原因是
　 。
Cu+外围电子排布呈全充满状态,比较稳定,再失去一个
电子需要能量高,第二电离能数值大
【解析】 (2)Cu+的外围电子排布为3d10,呈全充满状态,比较稳定,Ni+的外围电子排布为3d84s1,Cu+的核外电子排布更稳定,再失去一个电子更难,故元素铜的第二电离能高于元素镍的。
题点二　电离能的应用
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)。下列关于元素R的判断中一定正确的个数是(　　)
I1 I2 I3 I4 I5 ……
740 1 500 7 700 10 500 13 600 ……
①R的最高正化合价为+2价
②R元素基态原子的电子排布式为1s22s2
③同周期元素中第一电离能小于R的元素有一种
④R元素位于元素周期表中ⅡA族
A.1 B.2 C.3 D.4
B
【解析】 某短周期元素R的第三电离能剧增,说明该元素原子最外层有2个电子,位于ⅡA族,该元素存在第五电离能,说明其原子核外电子数大于4,故R为Mg。R为Mg,其最高正化合价为+2价,故①正确;R元素基态原子的电子排布式为1s22s22p63s2,故②错误;R元素基态原子的最外层电子排布式为3s2,为全充满稳定状态,第一电离能大于同周期相邻元素Na、Al的,不止一种元素的第一电离能小于R的,故③错误;R元素位于元素周期表中 ⅡA族,故④正确。
5.(1)A、B均为短周期金属元素。依据下表数据,写出B原子的电子排布式:
　　　　 　　　。
电离能/
(kJ·mol-1) I1 I2 I3 I4
A 932 1 821 15 390 21 771
B 738 1 451 7 733 10 540
1s22s22p63s2
【解析】 (1)由A、B元素的各级电离能可看出,A、B两元素容易失去两个电子形成+2价金属阳离子,故A、B元素属于ⅡA族,由同主族元素电离能变化规律可知,B元素为镁元素,其原子的电子排布式为1s22s22p63s2。
(2)根据下表所列元素的各级电离能 I/(kJ·mol-1)的数据,下列判断中错误的是　 　　　(填字母)。
元素 I1 I2 I3 I4
X 500 4 600 6 900 9 500
Y 580 1 800 2 700 11 600
A.元素X的常见化合价为+1价
B.元素Y可能为ⅢA族元素
C.元素X与氯元素形成化合物时,化学式可能是XCl
D.元素Y在化学性质上与锡元素相似
D
【解析】 (2)根据题干数据分析,X中 I2 I1,可知X最外层只有1个电子,X常见化合价为+1价,与氯元素形成化合物的化学式可能为XCl,A、C项正确;Y中I4 I3,Y呈+3价,故Y外围有3个电子,可能位于 ⅢA族,B项正确;因为锡元素位于 ⅣA族,所以Y的化学性质与锡元素不相似, D项不正确。
知识整合
如图,曲线分别表示元素的某种性质与核电荷数的关系(Z为核电荷数,Y为元素的有关性质)。
A B C D E
把与元素有关性质相符的曲线的标号填入相应横线上。
(1)ⅡA族元素原子的价电子数:　　　　。
B
【解析】 (1)同主族元素价电子数相同,B符合题意。
(2)第3周期元素的最高化合价:　　　　。
C
【解析】 (2)主族元素的最高正化合价等于其最外层电子数(氧、氟元素除外),稀有气体元素为0价,C符合题意。
(3)F-、Na+、Mg2+、Al3+四种离子的半径:　　　　。
A
【解析】 (3)电子层结构相同的离子,符合“核大径小”规律,A符合题意。
(4)第2周期元素的原子半径(不包括稀有气体元素):　　　　。
D
【解析】 (4)同周期主族元素从左向右原子半径依次减小,D符合题意。
(5)第2周期元素的第一电离能:　　　　。
【解析】 (5)第2周期主族元素的第一电离能从左向右大体趋势是增大的,其中铍和氮元素因特殊的电子排布结构较稳定,失去第一个电子难度大,所以第一电离能比相邻的元素都大,E符合题意。
E
命题解密与解题指导
情境解读:巧妙借助数学图像形象地体现元素性质的递变规律。考查对元素周期律的正确理解。
素养立意:借助“位、构、性”关系的相互推断,重点发展证据推理与模型认知素养。
思维建模:

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