4 第1章 第3节 第1课时 原子半径、元素的电离能及其变化规律-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 单选）

第3节　元素性质及其变化规律 第1课时　原子半径、元素的电离能及其变化规律 [素养发展目标]　1．了解原子半径的周期性变化，能用原子结构的知识解释主族元素原子半径周期性变化的原因，形成证据推理与模型认知的化学核心素养。　2．了解同周期、同主族元素性质的递变规律，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。　3．了解电离能的概念及其内涵，认识主族元素电离能的变化规律，知道电离能与元素化合价的关系，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。 一、原子半径及其变化规律 1．原子半径的影响因素 2．递变规律 同主族 从上到下电子层数越多，原子半径越大 同周期 从左到右，核电荷数越大，原子半径越小 同周期过渡元素 逐渐减小，但变化幅度不大 对于同主族元素的原子来说，电子层数的影响大于核电荷数增加的影响。　　 二、元素的电离能及其变化规律 1．电离能的概念及其分类 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 符号及单位 符号：I，单位：kJ·mol－1 分类 M(g)===M＋(g)＋e－　I1(第一电离能) M＋(g)===M2＋(g)＋e－　I2(第二电离能) M2＋(g)===M3＋(g)＋e－　I3(第三电离能) 2．电离能的意义 电离能越小，该气态原子(或离子)越容易失去电子；电离能越大，该气态原子(或离子)越难失去电子。 3．递变规律 同周期元素 随着原子序数的递增，元素的第一电离能总体呈现增大的趋势 同主族元素 自上而下第一电离能逐渐减小 (1)具有全充满、半充满及全空的电子结构的元素稳定性较高，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。 (2)当相邻逐级电离能突然变大时，说明其电子层发生变化，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。　　 1．现有四种元素的基态原子的电子排布式如下： ①1s22s22p63s23p4　②1s22s22p63s23p3 ③1s22s22p3　④1s22s22p5。有关原子半径由大到小的顺序正确的是(　　) A．②①③④　　　　　　　 B．④③①② C．①②④③ D．①②③④ A　[由电子排布式可知①为S，②为P，③为N，④为F，②原子半径最大，④最小。] 2．下列说法正确的是(　　) A．第3周期中钠的第一电离能最小 B．铝的第一电离能比镁的大 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大 A　[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项正确，C项错误；由于镁的价电子排布式为3s2，Mg具有3p轨道全空的较稳定结构，而铝的价电子排布式为3s23p1，故铝的第一电离能小于镁的，B项错误；钾比镁更易失去电子，钾的第一电离能小于镁的，D项错误。] 学生用书第13页 探究一　探究元素原子半径的变化规律 1．电子层数多的原子半径一定大吗？ 提示：不一定，例如锂原子比氯原子少一个电子层，但是锂原子半径大于氯原子。 2．举例说明电子层结构相同的微粒，其微粒半径大小的比较有什么规律？ 提示：电子层结构相同的微粒，核电荷数越大，原子核对外层电子的吸引作用越大，其微粒半径越小。例如：r(N3－)>r(O2－)>r(F－)>r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)。 3．元素周期表中元素原子得失电子能力有什么规律？试从原子半径和价电子数角度进行定性解释。 提示：同周期元素原子的电子层数相同，从左到右原子半径逐渐减小，原子核对外层电子的吸引作用逐渐增强。因此，除稀有气体元素外，从左到右，元素原子失去电子的能力越来越弱，获得电子的能力越来越强。同主族元素原子的价电子数相同，但自上而下原子半径逐渐增大，原子核对外层电子的吸引作用逐渐减弱。因此，自上而下，金属元素原子失去电子的能力越来越强，非金属元素原子获得电子的能力越来越弱。同周期元素和同主族元素原子结构递变的综合结果是：位于元素周期表中金属元素与非金属元素分界线周围元素的原子获得或失去电子的能力都不强。 微粒半径大小的比较方法 1．影响微粒半径的因素主要是核电荷数和电子层数。同周期中，核电荷数越大，半径越小；同主族中，电子层数越多，半径越大。 2．阳离子半径小于对应的原子半径，阴离子半径大于对应的原子半径，如r(Na＋)<r(Na)，r(S)<r(S2－)。 3．电子层结构相同的离子，随核电荷数增大，离子半径减小，如r(S2－)>r(Cl－)>r(K＋)>r(Ca2＋)。 4．不同价态的同种元素的离子，核外电子多的半径大，如r(Fe2＋)>r(Fe3＋)，r(Cu＋)>r(Cu2＋)。 1．下列粒子半径大小的比较正确的是(　　) A．原子半径：F<Cl B．原子半径：Na<S<Cl C．离子半径：S2－<Cl－<K＋<Ca2＋ D．第3周期元素简单离子的半径从左到右逐渐减小 A　[F与Cl属于同一主族元素，随着电子层数的递增，原子半径逐渐增大，所以原子半径：Cl>F，故A正确；Na、S、Cl属于同一周期元素，随着原子序数的递增，原子半径逐渐减小，故B错误；电子排布相同的离子，核电荷数越大，离子半径越小，故C错误；第3周期元素简单阳离子的半径从左到右逐渐减小，但简单阴离子的半径大于简单阳离子的半径，故D错误。] 探究二　探究元素电离能的变化趋势及应用 1．ⅡA与ⅢA、ⅤA与ⅥA族元素的第一电离能出现了反常，试解释原因。 提示：ⅡA族的ns能级有2个电子，为全充满的稳定结构，故第一电离能大于ⅢA族；ⅤA族的np能级有3个电子，为半充满的较稳定结构，故第一电离能大于ⅥA族。 2．如何利用电离能判断金属性与非金属性强弱？ 提示：一般情况下，元素的第一电离能越小，元素的金属性越强。 3．如何判断同一元素各级电离能之间的大小关系？ 提示：同一元素的逐级电离能的大小关系为I1<I2<I3<I4……原因是随着原子核外电子的逐个失去，阳离子所带正电荷数越来越高，且半径越来越小，核对电子的吸引作用增强，失电子越来越困难，电离能也越来越大。 1．电离能数值大小的影响因素 (1)核电荷数、原子半径对电离能的影响 ①同周期主族元素具有相同的电子层数，从左到右 学生用书第14页 核电荷数逐渐增大，原子半径逐渐减小，I1总体上呈增大的趋势(ⅡA、ⅤA族反常)。同周期中碱金属元素的I1最小，稀有气体元素的I1最大。 ②同主族元素从上到下，原子半径逐渐增大，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族元素原子最外层ns2全充满，第ⅤA族元素原子最外层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。 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)确定元素原子的核外电子层排布 由于电子是分层排布的，内层电子比外层电子难失去，故元素的逐级电离能会发生突变。 (3)确定元素的化合价 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(O、F除外)。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。 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元素可能显＋4价 B．X为非金属元素 C．X为第5周期元素 D．X的单质与氯气反应时最可能生成的阳离子为X3＋ D　[根据电离能图知，第三电离能和第四电离能之间的差距最大，所以X元素原子最外层有3个电子，在化学反应中容易失去3个电子，形成＋3价阳离子，故A错误，D正确；X元素可能位于ⅢA族，ⅢA族有金属元素也有非金属元素，根据已知条件无法确定X元素是否为非金属元素，也无法确定X元素所在的周期数，故B、C错误。] 1．下列各组元素中，原子半径依次增大的是(　　) A．Li　K　Rb　　　　　　　 B．I　Br　Cl C．O　Na　S D．Al　Si　P A　[原子半径依次增大，A正确；原子半径依次减小，B错误；O半径最小，Na半径最大，C错误；原子半径依次减小，D错误。] 2．下列离子半径比大于1的是(　　) A． B． C． D． A　[核外电子排布相同，核电荷数越大，离子半径越小，A正确；同周期从左到右原子半径依次减小，B错误；同种元素的阴离子半径大于原子半径大于阳离子半径，C、D错误。] 3．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．Na2S B．MgCl2 C．NaCl D．AlCl3 C　[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。] 4．已知An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都具有相同的电子层结构，则A、B、C、D的原子半径由大到小的顺序是________________，离子半径由大到小的顺序是________________，原子序数由大到小的顺序是________________。 解析：　因An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都具有相同的电子层结构，可将A、B、C、D在周期表中的位置关系表示如下： … … D C … … A B … … 从上图可知，A、B、C、D的原子半径由大到小的顺序是A>B>D>C；因四种离子的核外电子层结构相同，核电荷数小的离子半径大，因此可以判断离子半径从大到小的顺序是D>C>A>B，原子序数由大到小的顺序是B>A>C>D。 答案：　A>B>D>C　D>C>A>B　B>A>C>D 课时精练(四)　原子半径、元素的电离能及其变化规律 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、选择题(每小题只有一个选项符合题意) 1．下列各组微粒的半径比较中，正确的是(　　) ①F<F－<Cl－　②O2－<Mg2＋<Al3＋　③Na＋<Na<Rb　④P<S<Cl A．①③　　　　　　　　 B．②③ C．③④ D．①② A　[同一元素的微粒半径：r(阴离子)>r(原子)>r(阳离子)；具有相同电子层结构的离子，核电荷数越多，离子半径越小；电子层数相同的原子，原子序数递增，原子半径递减；最外层电子数相同的原子，电子层数越多，原子半径越大，据此可判断出：①正确；②应为O2－>Mg2＋>Al3＋；③正确；④应为P>S>Cl。] 2．A＋、B2＋、C－、D2－4种离子具有相同的电子层结构。现有以下排列顺序： ①B2＋>A＋＞C－>D2－ ②C－>D2－＞A＋＞B2＋ ③B2＋>A＋>D2－＞C－ ④D2－>C－>A＋＞B2＋ 4种离子的半径由大到小以及4种元素原子序数由大到小的顺序分别是(　　) A．①④ B．④① C．②③ D．③② B　[A＋、B2＋、C－、D2－4种离子具有相同的电子层结构，核外电子数相等，令核外电子数为x，则A、B、C、D的原子序数分别为x＋1、x＋2、x－1、x－2，故原子序数(核电荷数)：B2＋>A＋>C－>D2－；电子层结构相同，核电荷数越多离子半径越小，故离子半径：D2－>C－>A＋>B2＋。] 3．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 D　[B.第一电离能是气态基态原子或气态离子失去核外第一个电子需要的最小能量；A.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；C.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)。] 4．具有下列电子结构的元素中，第一电离能最小的是(　　) A．ns2np3　　　　　　　　 B．ns2np4 C．ns2np5 D．ns2np6 B　[ns2np3为半充满稳定结构，第一电离能大于相邻同周期元素，对于题给四个选项，其第一电离能由小到大顺序为ns2np4<ns2np3<ns2np5<ns2np6，即第一电离能最小的电子结构为ns2np4。] 5．下列离子化合物中，阳离子与阴离子半径之比最小的是(　　) A．KCl B．NaBr C．MgI2 D．KF C　[找出阳离子半径最小的，再找出阴离子半径最大的，则阳离子与阴离子半径之比最小。对于核外电子层结构不同的离子，电子层数越多，半径越大。阳离子电子层数最少的是Na＋和Mg2＋，它们电子层数相同，Mg2＋核电荷数大，半径较小，阴离子电子层数最多的是I－，半径最大。] 6．如图表示前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、P B．F、Cl、O C．He、Ne、Ar D．Si、C、B C　[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。] 7．下列各组元素性质递变规律不正确的是(　　) A．Li、Be、B原子半径依次减小 B．PH3、H2S、HCl还原性依次减弱 C．N、O、F的氢化物稳定性依次减弱 D．NaOH、KOH、RbOH的碱性依次增强 C　[Li、Be、B位于周期表同一周期，原子序数逐渐增大，半径逐渐减小，故A正确；非金属性：P<S<Cl，元素的非金属性越强，对应的氢化物的还原性越弱，则PH3、H2S、HCl还原性依次减弱，故B正确；非金属性：N<O<F，元素的非金属性越强，对应的氢化物越稳定，则N、O、F的氢化物稳定性依次增强，故C错误；金属性：Na<K<Rb，元素的金属性越强，对应的最高价氧化物的水化物的碱性越强，则NaOH、KOH、RbOH的碱性依次增强，故D正确。] 8．A、B、C、D、E为原子序数依次增大的短周期元素，化合物BA3与ABC3相遇会产生白烟，D为短周期金属性最强的元素，且四种元素的核外电子总数满足A＋E＝B＋D；下列叙述正确的是(　　) A．非金属性：B>C>E>A>D B．原子半径：D>E>B>C>A C．第一电离能：D<B<C D．元素E的含氧酸均为强酸 B　[原子序数依次增大的短周期元素，化合物BA3与ABC3相遇会产生白烟，应该是NH3和挥发性酸反应生成铵盐，此种酸应为HNO3，可知：A为H元素，B为氮元素，C为氧元素，而D为短周期金属性最强的元素，则D为钠元素，此时四种元素的核外电子数满足A＋E＝B＋D＝7＋11＝18，E的原子核外电子总数为17，则E为氯元素。同周期元素从左向右非金属性逐渐增强，可知O元素非金属性大于N元素，由4HCl＋O2△,2H2O＋2Cl2可知O元素非金属性强于Cl元素，再结合HClO4的酸性大于HNO3的酸性，且Na为金属元素，可知非金属性：O>Cl>N>H>Na，故A错误；同周期元素从左向右原子半径依次减小，同主族元素自上而下原子半径依次增大，原子半径：Na>Cl>N>O>H，故B正确；N原子2p轨道是半充满状态，第一电离能比O大，而Na为活泼金属，第一电离能较小，则第一电离能：Na<O<N，故C错误；元素E为Cl，HClO4是强酸，但HClO是弱酸，故D错误。] 9．下列关于微粒半径的说法不正确的是(　　) ①r(Li＋)<r(Na＋)<r(K＋)<r(Rb＋)<r(Cs＋) ②r(F－)<r(Cl－)<r(Br－)<r(I－) ③r(Na＋)<r(Mg2＋)<r(Al3＋)<r(F－)<r(O2－) ④r(Fe3＋)>r(Fe2＋)>r(Fe) A．②③④ B．①④ C．③④ D．①②③ C　[同主族元素，从上到下，同价态离子半径均增大，所以①②正确；电子层结构相同的离子，随核电荷数增大，离子半径减小，③错误；不同价态的同种元素的离子，核外电子多的半径大，④错误。] 10．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 A　[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。] 二、非选择题(本题包括3小题) 11．(1)比较离子半径：Cl－________S2－(填“大于”、“等于”或“小于”)。 (2)Li是最轻的固体金属，采用Li作为负极材料的电池具有小而轻、能量密度大等优良性能。Li＋与H－具有相同的电子结构，r(Li＋)小于r(H－)，原因是____________________。 解析：　(1)Cl－和S2－的核外电子排布相同，核电荷数越大，则半径越小，故半径：Cl－<S2－。(2)核外电子排布相同，由于锂的核电荷数较大，原子核对最外层电子的吸引力较大，因此Li＋半径小于H－。 答案：　(1)小于　(2)锂的核电荷数较大，对最外层电子的吸引力较强 12．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)根据下表所提供的电离能数据(单位：kJ·mol-1)，回答下列问题。 锂 X Y I1 519 502 580 I2 7 296 4 570 1 820 I3 11 799 6 920 2 750 I4 — 9 550 11 600 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。 解析：　(1)元素周期表中所列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属于ⅢA族元素。 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 13．根据电离能变化的规律填空： (1)N、O、S元素中第一电离能最大的是________(填元素符号)，Cu的价层电子轨道表示式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)①Cl所在周期中第一电离能最大的主族元素是________。 ②第一电离能：Si________S(用“>”或“<”填空)。 (3)前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中，A和B的价电子层中未成对电子均只有1个，并且A－和B＋的电子相差为8；与B位于同一周期的C和D，它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2，且原子序数相差为2。四种元素中第一电离能最小的是________________________(填元素符号)。 (4)N、Al、Si、Zn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 1 817 2 745 11 578 … 则该种元素是________________________。 (5)原子的第一电离能是指气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量，O、S、Se原子的第一电离能由大到小的顺序为______________________。 (6)①元素的第一电离能：Al________Si(填“>”或“<”)。 ②如图是部分短周期元素化合价与原子序数的关系。则元素的第一电离能：W________R(填“>”或“<”)。 解析：　(1)同周期元素第一电离能从左到右呈逐渐增大的趋势，同主族元素第一电离能自上而下逐渐减小，但由于N元素p轨道为半充满结构，相对稳定，故第一电离能N大于O，O大于S。Cu的价层电子轨道表示式为。 (2)Cl元素位于第3周期，第3周期元素的第一电离能随着原子序数的增大呈现增大的趋势，但ⅡA族和ⅤA族元素由于处于全充满和半充满的稳定结构，故比相邻同周期元素的第一电离能都大，故第3周期元素，第一电离能由小到大的顺序为Na<Al<Mg<Si<S<P<Cl，所以第一电离能最大的元素为Cl，而第一电离能：S>Si。(3)C的价电子层中未成对电子数为4，则B、C、D在第4周期，在第4周期中，原子序数相差2且未成对电子数分别为4、2的元素价电子排布为3d64s2、3d84s2，因原子序数：B>A，A－和B＋的电子相差为8，则A为F元素，B为K元素；则C为Fe元素，D为Ni元素，故第一电离能最小的是K元素。(4)从表中原子的第一至第四电离能可以看出，元素的第一、第二、第三电离能都较小，而第四电离能远大于第三电离能，所以原子最外层有3个电子，故为铝元素。(5)同主族元素，从上到下第一电离能逐渐减小，所以其由大到小顺序是O>S>Se。(6)同周期从左向右，元素的第一电离能有增大趋势(ⅡA、ⅤA族反常)，故第一电离能：Al<Si；从图中可看出，W为S元素，R为Cl元素，第一电离能：S<Cl。 答案：　(1)N　 (2)①Cl　②<　(3)K　(4)Al (5)O>S>Se　(6)①<　②< 学生用书第15页 学科网（北京）股份有限公司 $$