秋鲁教版高中化学选修三导学案第1章 第3节 原子.docx
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秋鲁教版高中化学选修三导学案第1章第3节原子
第3节 原子结构与元素性质
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需要的最小能量叫做电离能,常用符号I表示,单位为kJ·mol-1。
(2)第一电离能是指处于基态的气态原子失去一个电子,生成+1价气态阳离子所需要的能量,符号为I1。
M(g)===M+(g)+e- I1
(3)第二电离能是指由+1价气态阳离子再失去一个电子形成+2价气态阳离子所需要的能量,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- I2
M2+(g)===M3+(g)+e- I3
同一元素的电离能按I1、I2、I3……顺序,变化规律是依次增大。
2.电离能的意义
电离能越小,表示在气态时该原子越容易失去电子;反之,电离能越大,表示在气态时该原子越难失去电子。
因此,运用电离能数值可以判断金属原子在气态时失去电子的难易程度。
3.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同一周期,从左到右,元素的第一电离能总体上逐渐增大,表示元素原子越来越难失去电子。
原因:
随着核电荷数增大,原子半径逐渐减小,核对外层电子的有效吸引作用依次增强。
②同一主族,自上而下,元素的第一电离能逐渐减小,表明元素原子越来越容易失去电子。
原因:
同主族元素原子的价电子数相同,原子半径逐渐增大,原子核对核外电子的有效吸引作用逐渐减弱。
③过渡元素的第一电离能变化不太规则,同一周期,从左到右,第一电离能略有增加。
原因:
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同周期ⅡA族和ⅤA族元素的第一电离能的变化出现反常的原因是:
ⅡA族的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半充满的稳定状态。
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)核外电子层排布对电离能的影响
某原子或离子具有全充满、半充满的电子排布时,电离能较大。
如ⅡA族元素、ⅤA族元素比同周期左右相邻元素的I1都大,原因是第ⅡA族最外层ns2全充满,ⅤA族最外层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。
1.请回答下列问题:
(1)元素的第一电离能:
Al________(填“>”或“<”,下同)Si,Si________S。
(2)第一电离能介于B、N之间的第2周期元素有______种。
(3)依据第2周期元素第一电离能的变化规律,参照右图B、F元素的位置,用小黑点标出C、N、O三种元素的相对位置。
(4)S、N、O三种元素第一电离能由大到小的顺序为________。
(5)根据元素周期律,原子半径Ga________(填“大于”或“小于”,下同)As,第一电离能Ga________As。
答案
(1)< <
(2)3
(3)
(4)N>O>S
(5)大于 小于
解析
(1)同一周期主族元素的第一电离能自左向右有增大趋势,故元素的第一电离能Al (2)同周期元素的第一电离能从左到右呈增大的趋势,但由于氮原子的2p轨道处于半充满状态,较稳定,氮元素的第一电离能比氧的大,铍原子的2s轨道处于全充满状态,其电离能比硼的大,所以符合要求的元素有Be、C、O。 (3)和(4)同周期元素的第一电离能从左到右呈增大趋势,但基态N原子2p轨道容纳3个电子,处于半满稳定状态,N元素的第一电离能大于O元素的第一电离能。 故第一电离能B 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,所以第一电离能大小顺序是N>O>S。 (5)同周期从左到右原子半径逐渐减小,第一电离能总体呈增大趋势。 Ga的原子半径大于As的,故Ga的第一电离能小于As的。 易错提醒 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族元素和ⅤA族元素的第一电离能比同周期相邻元素的第一电离能大。 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.3s23p2 C.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 496 738 577 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,核电荷对电子的引力增强,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,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。 3.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)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。 根据元素逐级电离能确定元素最高化合价的方法,若In+1≫In>In-1,则该元素最高化合价为+n价;若各级电离能都较大,则为稀有气体元素。 4. (1)元素铜和镍的第二电离能如下表 元素 Cu Ni 第二电离能I2(kJ·mol-1) 1958 1753 I2(Cu)>I2(Ni)的原因是___________________________________________________。 (2)Mn、Fe均为第4周期过渡金属元素,两元素的部分电离能数据列于下表: 元素 Mn Fe 电离能/kJ·mol-1 I1 717 759 I2 1509 1561 I3 3248 2957 锰元素位于第4周期第ⅦB族。 请写出基态Mn2+的价电子排布式_________,比较两元素的I2、I3可知,气态Mn2+再失去1个电子比气态Fe2+再失去1个电子难,对此你的解释是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)Cu+失去的是全充满稳定的3d10电子,Ni+失去的是4s1电子 (2)3d5 由Mn2+转化为Mn3+时,3d能级由较稳定的3d5半充满状态转变为不稳定的3d4状态需要的能量较多;而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半充满状态需要的能量相对要少 解析 (1)Cu的原子序数为29,Cu的价电子排布式为3d104s1,Cu+的价电子排布式为3d10,3d轨道全充满,属于稳定状态;Ni的原子序数为28,Ni的价电子排布式为3d84s2,Ni+的价电子排布式为3d84s1,4s轨道只有1个电子,故Ni的第二电离能相对较小。 (2)ⅦB元素的族序数=价电子数,周期序数=电子层数,所以基态Mn原子价电子排布式为3d54s2,Mn2+的价电子排布式为3d5。 Mn2+为3d5的半充满状态,很难失去电子,而Fe2+为3d6,失去一个电子,即变为半充满的3d5状态,所以气态Mn2+再失去一个电子比气态Fe2+再失去一个电子难。 方法规律 根据核外电子排布可以解释: Fe3+比Fe2+稳定,Cu2O比CuO稳定等。 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.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 元素原子的第一电离能越大
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