高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2第3节 元素性质及其变化规律第2课时学案

第2课时　元素的电离能及其变化规律

1．电离能的概念

气态基态原子或气态基态离子失去一个电子所需要的最小能量称为电离能，常用符号I表示，单位为kJ·mol－1。其中，元素原子失去一个电子的电离能称为第一电离能，常用符号I1表示；在此基础上再失去一个电子的电离能称为第二电离能，常用符号I2表示；以此类推，还有第三、第四电离能等。通常，元素的第二电离能高于第一电离能，第三电离能又高于第二电离能。

2．电离能的意义

电离能越小，表示在气态时该元素的原子(或离子)越容易失去电子；反之，电离能越大，表示在气态时该元素的原子(或离子)越难失去电子。通常，我们可以运用元素的电离能数据来判断金属元素的原子在气态时失去电子的难易程度。

3．电离能的变化规律

同一周期的元素，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；从左到右，元素的第一电离能在总体上呈现从小到大的变化趋势，表示元素原子越来越难失去电子；同主族元素，总体上自上而下第一电离能逐渐减小，表明自上而下原子越来越容易失去电子。

过渡元素的第一电离能的变化不太规则。同一周期，从左到右随着元素原子序数的增加，第一电离能总体上略有增加。这是因为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变化不是太大。

4．元素第一电离能的周期性递变规律与元素原子半径和原子核外电子排布的周期性变化密切相关。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)同周期元素中第ⅦA族元素的第一电离能最大。(　　)

(2)对同一元素(原子核外有3个以上电子)而言，电离能：I1<I2<I3。(　　)

(3)第ⅠA、ⅡA族元素的原子，其原子半径越大，元素的第一电离能越大。(　　)

(4)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。(　　)

(5)同一主族中，自上而下元素的第一电离能逐渐减小。(　　)

答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√

解析　(1)0族元素第一电离能最大。

(3)对于ⅠA、ⅡA族元素的原子，原子半径越大，第一电离能越小。

(4)同周期第ⅡA族元素的第一电离能大于第ⅢA族元素的第一电离能。

2．下列元素中基态原子的第一电离能最大的是(　　)

A．B            B．C            C．N              D．O

答案　C

解析　同周期元素由左向右元素的第一电离能呈递增趋势，但同周期中第ⅡA族元素原子最外层p轨道呈全空状态，较稳定，元素的第一电离能比第ⅢA族元素的大，第ⅤA族元素原子最外层p轨道为半充满状态，较稳定，元素的第一电离能比第ⅥA族的大，B、C、N、O属于同一周期元素，N属于第ⅤA族元素，元素的第一电离能最大。

3．从(1)P和S；(2)Mg和Ca；(3)Al和Si三组原子中，分别找出原子的第一电离能较高的元素，这三种元素的原子序数之和是(　　)

A．40    B．48 

C．41   D．49

答案　C

解析　第一电离能I1(P)>I1(S)(同周期ⅤA族元素高于ⅥA族元素)，I1(Mg)>I1(Ca)(同主族递变规律)，I1(Si)>I1(Al)(同周期递变规律)，所以三种元素的原子序数之和为15＋12＋14＝41。

4．下列各组元素中，按原子半径依次减小、元素第一电离能逐渐升高的顺序排列的是(　　)

A．K、Na、Li   B．Al、Mg、Na

C．N、O、C   D．Cl、S、P

答案　A

解析　B、D项中元素的原子半径逐渐增大；C项中原子半径：C>N>O，第一电离能：N>O>C。

探究一　影响电离能的因素及电离能的变化规律

1．金属元素的第一电离能都较小，非金属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，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．为什么第2周期中Be和N元素及第3周期中的Mg和P元素的第一电离能大于相邻的元素的第一电离能？

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)或半充满(p3、d5、f7)或全充满(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。而Be、N、Mg、P元素的原子结构恰好满足这一点，所以导致它们的第一电离能大于它们相邻元素。

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核外电子排布。

(1)一般来说，同一周期的元素具有相同的电子层数，从左到右核电荷数逐渐增大，原子的半径逐渐减小，核对最外层电子的引力逐渐加大，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，原子半径逐渐增大起主要作用，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)原子的核外电子排布是影响电离能的第三个因素

某些元素具有全充满或半充满的电子排布，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．电离能的变化规律

逐级电离能

基态原子核外有多少个电子，就有多少级电离能，如钠原子有11级电离能，当电离能突然变大时说明电子的电子层发生了变化。如表：

1．下列有关电离能的说法，正确的是(　　)

A．第一电离能越大的原子失电子的能力越强

B．第一电离能是元素的原子失去核外第一个电子需要的能量

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．同主族元素，随原子序数的递增，第一电离能逐渐减小

答案　D

解析　第一电离能是气态基态原子失去核外第一个电子需要的能量，第一电离能越大，失电子能力越弱，A错误；是“气态基态原子”，不是“元素的原子”，B错误；全充满或半充满的电子排布的元素，第一电离能反常，如I1(N)＞I1(O)，C错误；同主族元素自上而下第一电离能逐渐减小，D正确。

2．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．3s23p2

C．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轨道半充满，是较稳定状态，因而更难失去第1个电子。

(1)影响电离能大小的因素主要有核电荷数、原子半径和核外电子排布。

(2)比较元素电离能大小时，要特别注意原子轨道在全充满、半充满和全空时元素的电离能较大。

探究二　电离能的应用

　观察分析下表电离能数据回答问题：

为什么锂元素易形成Li＋，而不易形成Li2＋；镁元素易形成Mg2＋，而不易形成Mg3＋？

提示：从表中数据可知：Li元素的I2远大于I1，因此Li容易失去第一个电子，而不易失去第二个电子，即Li易形成Li＋，而不易形成Li2＋。镁元素的I1、I2相差不大，I3远大于它们，说明镁容易失去两个电子，而不易失去第三个电子，因此镁易形成Mg2＋，而不易形成Mg3＋。

　元素的电离能的应用

(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)判断原子易失去电子的数目和元素的化合价

元素的各级电离能逐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失去，因此会发生突变)，如Mg原子的I1、I2、I3分别是738 kJ·mol－1、1451 kJ·mol－1、7733 kJ·mol－1，在I2和I3之间发生突变，所以Mg容易失去两个电子，可形成＋2价阳离子。

(3)确定元素核外电子的排布

如Li：I1≪I2<I3，表明Li原子核外的三个电子排布在两个电子层上(K、L层)，而且最外层上只有一个电子。

3．某元素X的各级电离能(kJ·mol－1)分别为740、1500、7700、10500、13600、18000、21700，当它与氯气反应时最可能形成的阳离子是(　　)

A．X＋   B．X2＋ 

C．X3＋   D．X4＋

答案　B

解析　该元素原子电离能数据突跃发生在第二、第三电离能上，故其最外层有2个电子，可形成＋2价阳离子。

4．能够证明电子在原子核外是分层排布的事实是(　　)

A．化合价   B．电离能

C．第一电离能   D．原子半径

答案　B

解析　原子核外电子是分层排布的，同一电子层的电子具有的能量相近，而不同电子层的电子具有的能量差别较大。电离能反映了气态基态原子或离子失去一个电子所消耗的最小能量，故失去同一电子层上的电子消耗的最小能量差别较小，而失去不同电子层上的电子消耗的最小能量差别较大。故可根据失去一个电子消耗的最小能量发生突跃而确定原子核外电子是分层排布的。

由电离能判断元素化合价时，关键看电离能数据的变化趋势。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很多，由此可判断最外层上的电子数，进而判断其可能化合价并由此推断出其阳离子所带的正电荷。

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．不考虑稀有气体元素，下列关于元素第一电离能与性质关系的说法中，正确的是(　　)

A．第一电离能越小，元素金属性越强

B．第一电离能越小，该元素原子越容易失去电子

C．第一电离能越大，该元素的非金属性强

D．第一电离能失去的电子，不一定是最外层上的电子

答案　B

解析　同周期从左到右，元素的第一电离能呈增大趋势，但第ⅡA族和第ⅤA族元素反常，如第一电离能：Mg>Al，金属性：Mg>Al，A错误；第一电离能越小，该元素原子越容易失去一个电子，B正确；不考虑稀有气体元素，同一周期第ⅥA族元素非金属性强于第ⅤA族元素，但第ⅤA族元素的第一电离能大于第ⅥA族元素，C错误；原子失去一个电子转化为正离子时首先失去最外层电子，D错误。

2．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容易失去电子

C．第二电离能是气态＋1价阳离子失去一个电子所需要的最小能量

D．电离能跟金属活动性顺序是对应的

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正确；C项为第二电离能的定义，正确；D项，电离能有时并不和金属活动性顺序一一对应，错误。

3．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　同周期中碱金属元素的第一电离能最小，稀有气体元素的第一电离能最大，故A正确，C不正确；由于Mg的价电子排布为3s2，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；D中钾比镁更易失电子，钾的第一电离能小于镁的，D不正确。

4．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．最外层电子排布为ns2np6(当只有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＜I2＜I3＜……

答案　B

解析　钾元素的第一电离能小于钠元素的第一电离能，说明钾失电子能力比钠强，所以钾的活泼性强于钠，故A正确；同一周期元素原子半径随着原子序数的增大而减小，第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第ⅡA族元素的第一电离能大于第ⅢA族元素的，第ⅤA族元素的第一电离能大于第ⅥA族元素的，故B不正确；最外层电子排布为ns2np6(当只有K层时为1s2)的原子达到稳定结构，再失去电子较难，所以其第一电离能较大，故C正确；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，故D正确。

5．Li、Be、B原子失去一个电子，所需的能量相差并不大，但最难失去第二个电子的原子是(　　)

A．Li   B．Be

C．B   D．相差不大

答案　A

解析　Li、Be、B原子失去一个电子后的电子排布式分别为1s2、1s22s1、1s22s2，Li原子再失去一个电子时，将要失去第一电子层上的电子，失电子较难；而Be、B原子再失去一个电子时，失去同电子层上的电子，相对容易些，故Li失去第二个电子时要更难些。

6．元素周期表中，按照第一电离能由大到小顺序排列，错误的是(　　)

A．Be、Mg、Ca   B．Mg、Ca、K

C．He、Ne、Ar   D．O、N、C

答案　D

解析　Be、Mg、Ca处于同一主族，同一主族自上而下元素第一电离能逐渐减小，故Be、Mg、Ca元素第一电离能依次减小，故A正确；Mg、Ca处于同一主族，K、Ca为同一周期，同一周期自左而右元素的第一电离能呈增大趋势，所以Mg、Ca、K第一电离能依次减小，故B正确；He、Ne、Ar为同族元素，故He、Ne、Ar元素第一电离能逐渐减小，故C正确；同一周期元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第ⅡA族、第ⅤA族元素的第一电离能大于同周期相邻元素，故第一电离能由大到小的顺序为N>O>C，故D错误。

7．自2016年1月确定113号、115号、117号和118号元素的命名权起，元素周期表第7周期即被填满。根据所学知识，第7周期中第一电离能(I1)比115号元素大的主族元素有(　　)

A．1种   B．2种

C．3种   D．不能确定

答案　A

解析　115号元素位于第7周期第ⅤA族，其7p轨道电子处于半充满状态，稳定性强，第一电离能大于相邻元素。故同周期的主族元素只有第ⅦA族元素的第一电离能大于该元素，答案选A。

8．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是(　　)

A．R的最高价为＋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　由表中数据可知，元素的第一、第二电离能都较小，第三电离能较大，原子最外层应有2个电子，最高价为＋2价，应为第ⅡA族元素，A、C错误，B正确；R可能是Mg元素，D错误。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．化合物中，稀土元素最常见的化合价是＋3，但也有少数的稀土元素可以显示＋4价，观察下面四种稀土元素的电离能数据，判断最有可能显示＋4价的稀土元素是(　　)

几种稀土元素的电离能(单位：kJ·mol－1)

答案　D

解析　根据表中数据可知，Sc、Y、La 3种元素的第三电离能与第四电离能的差值较大，故其可以显示＋3价，Ce元素的第三电离能与第四电离能差距最小，所以Ce元素最可能有＋4价，故D符合题意。

10．X与Y两元素的阳离子具有相同的电子层结构，X元素的阳离子半径大于Y元素的阳离子半径，Y与Z两元素的核外电子层数相同，Z元素的第一电离能大于Y元素的第一电离能，则X、Y、Z的原子序数(　　)

A．X>Y>Z   B．Y>X>Z

C．Z>X>Y   D．Z>Y>X

答案　D

解析　对于电子层结构相同的离子，核电荷数越大，半径越小，现X元素的阳离子半径大于Y元素的阳离子半径，故原子序数应是Y>X。Z和Y的电子层数相同，则它们在同一周期，结合第ⅡA族和第ⅤA族元素的第一电离能大于相邻元素，则原子序数：Z<Y或Z>Y，结合以上可知，原子序数：Z>Y>X或Y>Z>X，故D正确。

11．已知短周期元素X、Y、Z在周期表中的相对位置如图所示，则下列说法正确的是(　　)

A.Y元素原子的价电子排布为2s22p4

B．原子半径：Z>Y

C．X是周期表中第一电离能最大的元素

D．第一电离能Z>Y

答案　BC

解析　因X、Y、Z为短周期元素，结合位置关系知X为He、Y为F、Z为S。所以F元素原子价电子排布为2s22p5；原子半径Z>Y；结合第一电离能在同周期和同主族间的变化规律知：He是第一电离能最大的元素；第一电离能F>S。综上可得B、C正确。

12．A、B、C、D四种元素，已知A元素是地壳中含量最多的元素；B元素为金属元素，它的原子核外K、L层电子数之和等于M、N层电子数之和；C元素是第3周期第一电离能最小的元素；D元素在第3周期中第一电离能最大。下列有关叙述正确的是(　　)

A．四种元素A、B、C、D分别为O、Ca、Na、Ar

B．元素A、B、C两两组成的化合物可为MgO、MgO2、Na2O、Na2O2等

C．元素A、C简单离子的半径大小关系为A<C

D．C元素的第二电离能远大于第一电离能

答案　AD

解析　地壳中含量最多的元素为氧；由题意知B元素K层和L层电子数之和为10，则M层为8个，N层为2个，故B元素为钙；C是第3周期第一电离能最小的元素，为钠；第3周期中第一电离能最大的元素为氩。C项中，A的简单离子O2－和C的简单离子Na＋具有相同的电子层结构，根据“序大径小”的规律知r(O2－)>r(Na＋)。D项中，Na元素失去一个电子后形成1s22s22p6的稳定结构，不易失第二个电子，I2≫I1。综上可得，A、D正确。

三、非选择题(本题共3小题)

13．下图是原子序数为1～19的元素第一电离能的变化曲线(其中部分元素第一电离能已经标出数据)。结合元素在元素周期表中的位置，分析图中曲线的变化特点，并回答下列有关问题。

(1)碱金属元素中Li、Na、K的第一电离能分别为________kJ·mol－1、________kJ·mol－1、________kJ·mol－1。

(2)同主族中不同元素的第一电离能变化的规律为：___________________________________________________，碱金属元素这一变化的规律与碱金属的活泼性的关系是______________________________。

(3)钙元素的第一电离能的数值范围为___________________________。

答案　(1)520　496　419　(2)随着原子序数的增大，第一电离能逐渐变小　金属越活泼，其第一电离能越小　(3)大于419小于738

解析　(1)Li、Na、K的原子序数分别为3、11、19，图中对应的第一电离能的数值分别为520、496、419。

(2)由碱金属元素第一电离能的变化可知，随着原子序数的增加，第一电离能逐渐减小，而且随着原子序数的增加，同主族元素的金属性逐渐增强。

(3)Ca的第一电离能大于同周期的K的第一电离能(419 kJ·mol－1)同时小于同主族的Mg的第一电离能(738 kJ·mol－1)。

14．请完成下列各题：

(1)Mg元素的第一电离能比Al元素的________，第2周期元素中，元素的第一电离能比铍大的有________种。

(2)碳原子的核外电子排布式为：________。与碳同周期的非金属元素N的第一电离能大于O的第一电离能，原因是_______________________________________。

(3)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：________。

答案　(1)大　5　(2)1s22s22p2　N原子的2p轨道达到半充满结构，比较稳定　(3)1s22s22p63s2

解析　(1)Mg的价电子排布式为3s2,3s为全充满稳定结构；Al的价电子排布式为3s23p1,3p轨道不是稳定结构。元素第一电离能Mg>Al。第2周期元素的第一电离能比Be元素第一电离能大的元素有C、N、O、F、Ne，共5种。

(2)O原子和N原子的价电子排布分别为2s22p4、2s22p3，N原子的2p轨道半充满，结构比较稳定，所以第一电离能大。

(3)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族的元素，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。

15．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解释：

①用原子结构的观点进行解释：__________________________________________________________________________________________________________________________________________。

②用电离能的观点进行解释：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(3)写出D跟水反应的离子方程式：______________________________________。

答案　(1)①<　②<　(2)＋1　①钠原子失去一个电子后核外电子排布式为1s22s22p6，原子轨道处于全充满状态，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，第二电离能比第一电离能大很多，通常Na原子只能失去一个电子　(3)2Na2O2＋2H2O===4Na＋＋4OH－＋O2↑

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。