高中化学 第1章 原子结构 第3节 原子结构与元素性质 第1课时学案 鲁科版选修3.docx
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高中化学第1章原子结构第3节原子结构与元素性质第1课时学案鲁科版选修3
第1课时 电离能及其变化规律
[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变化规律,会用电离能的概念分析解释元素的某些性质。
一、元素的电离能及其变化规律
1.元素第一电离能的概念与意义
(1)概念:
①电离能:
气态原子或气态离子失去一个电子所需的最小能量。
符号:
I,单位:
kJ·mol-1。
②逐级电离能:
第一电离能:
处于基态的气态原子失去一个电子转化为正一价气态离子所需要的能量叫做第一电离能。
元素第一电离能符号:
I1。
第二电离能:
气态正一价离子再失去一个电子成为气态正二价离子所需的能量叫做第二电离能;第三电离能和第四、第五电离能依此类推。
通常情况下,第一电离能小于第二电离能小于第三电离能……
(2)意义:
可以衡量元素的原子失去一个电子的难易程度。
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。
2.元素第一电离能变化规律
(1)元素第一电离能的变化趋势如下图所示:
(2)观察分析上图,回答下列问题:
①对同一周期的元素而言,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。
②同主族元素,自上而下第一电离能逐渐减小,表明自上而下原子越来越易失去电子。
③具有全充满、半充满及全空的电子构型的元素稳定性较高,其电离能数值较大。
如稀有气体的电离能在同周期元素中最大,N为半充满、Mg为全充满状态,其电离能均比同周期相邻元素大。
1.电离能数值的大小主要取决于原子的核电荷数、原子半径及原子的核外电子排布。
(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总体上有增大的趋势。
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。
(2)核外电子排布对电离能的影响
某原子或离子具有全充满、半充满或全空时的电子排布时,电离能较大。
如第ⅡA族元素、第ⅤA族元素比同周期左右相邻元素的I1都大,原因是第ⅡA族元素最外层ns2全充满,第ⅤA族元素最外层np3半充满,比较稳定。
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。
Zn(3d104s2)比同周期相邻元素的电离能大。
2.元素第一电离能的周期性递变规律是原子半径、核外电子排布周期性变化的结果。
例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 ①第一电离能是气态电中性原子失去核外第一个电子需要的能量;②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;③从总的变化趋势上看,同一周期中元素的第一电离能从左到右逐渐增大,但有反常,如I1(N)>I1(O)。
例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.3s23p1B.3s23p2C.3s23p3D.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。
方法规律
(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。
二、电离能的应用
1.碱金属元素随核电荷数增大,元素的第一电离能减小,碱金属元素的金属性逐渐增强,一般来说,元素的第一电离能越小,元素的金属性越强。
2.下表为Na、Mg、Al的电离能(kJ·mol-1)。
元素
电离能
Na
Mg
Al
I1
496
738
578
I2
4562
1451
1817
I3
6912
7733
2745
I4
9543
10540
11575
分析上表中各元素电离能的变化,回答下列问题:
(1)为什么同一元素的电离能逐级增大?
答案 原子失电子时,首先失去的是能量最高的电子,故第一电离能较小,原子失去电子后变成阳离子,离子半径变小,原子核对电子的引力增强,从而使电离能逐级增大。
(2)钠原子为什么容易失去1个电子成为+1价的阳离子?
答案 钠原子的I2≫I1,说明钠原子很容易失去1个电子成为+1价阳离子,形成Na+为1s22s22p6稳定结构后,原子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。
(3)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。
3.根据锂元素逐级电离能数据可知,I1≪I2 电离能的应用 (1)判断元素金属性、非金属性的强弱 (2)确定元素核外电子的排布 当相邻逐级电离能突然变大时,说明其电子层发生了变化,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。 (3)确定元素的化合价 如果 ≫ ,即电离能在In与In+1之间发生突变,则元素的原子易形成+n价离子,并且主族元素的最高化合价为+n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。 关键提醒 稀有气体的各级电离能都比较大。 例3 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.LiB.BeC.BD.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。 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 11575 … 则该元素是________(填写元素符号)。 (2)短周期某主族元素M的电离能情况如图所示。 则M元素位于周期表的第________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价阳离子却非常困难,说明元素M失去2个电子后达到稳定结构。 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项正确;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。 2.下列说法正确的是( ) A.第3周期所含的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,稀有气体最大,A项正确,C项不正确;由于Mg价电子排布为3s2,而Al为3s23p1,故铝的第一电离能小于Mg的,B项不正确;D中钾比镁更易失电子,钾的第一电离能小于镁的,D项不正确。 3.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)的变化图像。 其中A、B、C各点表示的元素是( ) A.N、S、PB.F、Cl、O C.He、Ne、ArD.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。 4.元素周期表第3周期所含主族元素中,第一电离能最大和最小的两元素形成的化合物是( ) A.Na2SB.MgCl2 C.NaClD.AlCl3 答案 C 解析 第3周期主族元素中,第一电离能最大的元素为Cl,第一电离能最小的元素为Na,二者形成的化合物为NaCl。 5.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: ________________________。 电离能/kJ·mol-1 I1 I2 I3 I4 A 932 1821 15390 21771 B 738 1451 7733 10540 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。 [对点训练] 题组1 电离能及其变化规律 1.下列说法中不正确的是( ) A.同主族元素,随着电子层数的增加,I1逐渐减小 B.同周期元素,随着核电荷数的增加,I1逐渐增大 C.通常情况下,电离能I1 D.电离能越小,元素的金属性越强 答案 B 解析 同周期元素,I1呈增大趋势,但不是逐渐增大。 ⅡA族元素原子最外层为ns2全充满稳定结构和ⅤA族元素原子最外层为np3半充满稳定结构,因此出现反常现象。 2.下列各组元素,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、LiB.Al、Mg、Na C.N、O、CD.Cl、S、P 答案 A 解析 同周期中,从左到右,元素的第一电离能总体逐渐增大;同主族中,从上到下,第一电离能逐渐减小。 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.下列叙述正确的是( ) A.通常,同周期元素中ⅦA族元素的第一电离能最大 B.同一主族元素的原子半径越大,第一电离能逐渐减小 C.同一元素的第一电离能一定远远大于其第二电离能 D.主族元素的原子形成单原子离子时的最高化合价数都和它的族序数相等 答案 B 解析 通常,同周期元素中碱金属元素第一电离能最小,稀有气体元素最大,故A错;同一主族,自上而下第一电离能逐渐减小,而同主族元素随着原子序数的增加,原子半径增大,失电子能力增强,第一电离能逐渐减小,故B正确;同一元素不同能层上的电子的电离能往往相差较大,同一能层上的电离能相差不是很大,C错;主族元素的原子形成单原子离子时的最高化合价数不一定和它的族序数相等,如F、O,故D错。 4.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、OB.F、Ne、Na C.Be、B、CD.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,由于处于半充满的稳定状态,失去电子较难,因此其第一电离能大于O。 5.气态电中性基态原子的原子核外电子排布发生如下变化,吸收能量最多的是( ) A.1s22s22p63s23p2→1s22s22p63s23p1 B.1s22s22p63s23p3→1s22s22p63s23p2 C.1s22s22p63s23p4→1s22s22p63s23p3 D.1s22s22p63s23p64s24p2→1s22s22p63s23p64s24p1 答案 B 解析 气态电中性基态原子的第一电离能越大,失去一个电子吸收的能量越多。 B项中3p3为p轨道半充满状态,故第一电离能最大。 6.同周期元素具有下列价电子排布的原子中,第一电离能最小的是( ) A.ns2np3B.ns2np4 C.ns2np5D.ns2np6 答案 B 解析 ns2np3处于半充满状态,ns2np6处于全充满状态,均是能量较低的状态,不易失去电子,而ns2np4和ns2np5比较,ns2np4容易失去一个电子变成ns2np3半充满的较稳定状态,因此更容易失去电子,第一电离能最小,故B项正确。 7.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价电子构型为3s23p6的原子;③3p轨道为半充满的原子;④正三价的阳离子结构与氖相同的原子 A.①②③④B.③①②④ C.②③①④D.②④①③ 答案 C 解析 ①为S元素,②为Ar元素,③为P元素,④为Al元素,第一电离能由大到小的顺序为②③①④。 题组2 电离能的应用 8.某元素的各级电离能(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 相邻两电子层能量相差较大,电离能产生突跃,说明再失一个电子的难度增大很多,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出其阳离子所带的正电荷数。 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。 9.某主族元素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为非金属元素 C.X为第5周期元素 D.X与氯气反应时最可能生成的阳离子为X3+ 答案 D 解析 A项,X元素最外层有3个电子,所以在化合物中通常显+3价,错误;B项,第ⅢA族元素中有金属元素也有非金属元素,根据已知条件无法确定是否为非金属元素,错误;C项,第ⅢA族元素,根据已知条件无法确定是哪个周期的元素,错误;D项,该主族元素最外层有3个电子,在反应中容易失去电子,所以与氯气反应时最可能生成的阳离子为X3+,正确。 10.已知: X为同周期元素中第一电离能最小的元素,Z元素原子最外层电子排布为2s22p4,Y是第3周期离子半径最小的元素,则X、Y、Z三种元素组成的化合物的化学式可能是( ) A.X3YZ3B.X2YZ3 C.X2YZ2D.XYZ3 答案 A 解析 在同周期中第一电离能最小的是H或ⅠA族金属元素,其在化合物中的化合价为+1价;Y为Al,Z为O,根据化合物中化合价代数和为零知A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( ) X Y Z 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 C 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。 F(Y)元素价电子排布为2s22p5;原子半径S>F(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。 12.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( ) 元素 I1 I2 I3 I4 X 500 4600 6900 9500 Y 580 1800 2700 11600 A.元素X的常见化合价为+1价 B.元素Y可能为ⅢA族元素 C.元素X与氯形成化合物时,化学式可能是XCl D.元素Y在化学性质上与锡相似 答案 D 解析 根据数据分析: 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Cl元素形成XCl,位于ⅠA族,A、C项正确;Y中I4≫I3,Y易呈+3价,故Y最外层有3个电子,位于ⅢA族,B项正确;因为锡在ⅣA族,所以Y的化学性质不与锡相似,D项不正确。 [综合强化] 13.下表是元素周期表的一部分。 表中所列的字母分别代表某一化学元素。 (1)上述第3周期元素中第一电离能(I1)最大的是__________________(用字母表示,下同),c和f的I1大小关系是__________________。 (2)概括下表所提供的电离能数据,回答下列问题。 锂 X Y I1 519 502 580 I2 7296 4570 1820 I3 11799 6920 2750 I4 9550 11600 ①锂的元素符号是__________,通过上述信息和表中的数据分析为什么该元素原子失去核外第二个电子时所需的能量要远远大于失去第一个电子所需的能量: ____________________ ________________________________________________________________________。 ②表中X可能为以上13种元素中的____________(填字母)元素,用元素符号表示X和j所能形成的化合物的化学式是____________(写一种即可)。 ③Y是周期表中的____________族的元素。 答案 (1)m c>f (2)①Li 锂原子失去核外第一个电子后即达到稳定结构,所以锂原子失去核外第二个电子时所需的能量要远远大于失去第一个电子所需的能量 ②a Na2O(或Na2O2) ③ⅢA 解析 (1)周期表中所列13种元素按字母顺序分别是Na、H、Mg、Sr、Sc、Al、Ge、C、P、O、I、Cl、Ar,其中Na、Mg、Al、P、Cl、Ar属于第3周期,原子最稳定的是Ar,故其I1最大,Mg、Al的核外电子排布分别为1s22s22p63s2、1s22s22p63s23p1,Mg中3s2为全充满状态,故其I1比Al的I1大。 (2)①锂原子失去1个电子后即达到稳定状态,因此很难再失去一个电子。 ②由表中数据可以看出,锂和X的I1均比I2、I3小很多,说明X与Li同主族,且X的I1比Li的I1更小,说明X的金属性比锂更强,则X为Na(即a)。 ③由Y的电离能数据可以看出,它的I1、I2、I3比I4小得多,故Y原子属于ⅢA族元素。 14.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: I1(A)______I1(B)(填“>”“<”或“=”)。 (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)< (2)+1价 ①钠原子失去一个电子后的电子排布式为1s22s22p6,为原子轨道全充满的+1价阳离子,该离子结构体系能量低,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倍。 通常Na原子只能失去一个电子 ③2Na2O2+2H2O===4Na++4OH-+O2↑ 解析 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,则x+1=2,解得x=1,故A原子的最外层电子排布式为(n+1)s1,位于第ⅠA族,B原子的最外层电子排布式为ns2np4,位于第ⅥA族,A与B可形成化合物D,D溶于水时有气体逸出,该气体能使带火星的木条复燃,则该气体为O2,故化合物D为Na2O2,A为Na,B为O。 (1)同周期元素自左而右,第一电离能呈增大趋势,同主族元素自上而下第一电离能逐渐减小,故电离能I1(A)<I1(B)。 (2)Na元素的化合价是+1价。 ③过氧化钠跟水反应生成氢氧化钠与氧气,反应的离子方程式为2Na2O2+2H2O===4Na++4OH-+O2↑。 15.不同元素的气态原子失去最外层一个电子所需要的最低能量I1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)同主族内不同元素原子的I1变化的特点是______________________________,各主族中I1的这种变化特点体现了元素性质的__________变化规律。 (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,试预测下列关系中正确的是____(填序号)。 ①I1(砷)>I1(硒) ②I1(砷) (3)10号元素I1较大的原因是____________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)估计1mol气态Ca原子失去最外层一个电子所需能量E值的范围: ____________ 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
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