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第三節 元素性質及其變化規律
第一課時 原子半徑、元素的電離能及其變化規律
1892年后，瑞利和拉姆齊發現稀有氣體氬，1898年，又發現了氪氖氙三種元素，1923年發現了氡，歷經半個世紀，稀有氣體家族才被全部確認。自從發現稀有氣體后，人們在很長一段時間沒有發現其化合物，因而，稀有氣體被稱為惰性氣體，直到1962年巴特利特在實驗室合成了第一種氙的化合物，迄今為止已經發現了稀有氣體化合物已達上百種，所有稀有氣體都能形成化合物。從這段科學史話中，你有什么感想？
人們對科學的認知是在不斷的探索與實踐或試驗過程中完成的，這種認知并不是一成不變的，而是不斷發展完善的也是無止境的。
1.了解原子半徑的周期性變化,能用原子結構的知識解釋主族元素原子半徑周期性變化的原因。
2.了解原子電離能的周期性變化,聯系核外電子排布和原子電離能的關系；3.了解電離能的定義及其內涵,認識主族元素電離能的變化規律,知道電離能與元素化合價的關系。
1.對比電離能與原子半徑的變化規律，建立二者的邏輯關系。（宏觀辨識與微觀探析）
2.結合電離能在元素周期表中的變化規律，判斷元素周期表中未知各元素的性質。（證據推理與模型認知）
體會課堂探究的樂趣，
汲取新知識的營養，
讓我們一起 吧！
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課
堂
在元素周期表中，隨著原子序數的遞增，元素基態原子的核外電子排布呈現周期性變化，元素的性質也呈現周期性變化。那么，元素哪些性質呈現周期性變化 元素性質周期性變化的本質是什么 如何運用元素周期表推測元素的基本性質
聯想質疑
原子半徑
原子的核外電子排布呈現周期性變化
元素的性質呈現周期性變化
化合價
得失電子能力
金屬性和非金屬性
一.原子半徑及其變化規律
原子半徑是如何測定的？
追根尋源
測定原子半徑的方法很多。常用的一種方法是根據固態單質的密度算出1mol原子的體積，再除以阿伏加德羅常數，得到一個原子在固態單質中平均占有的體積，進而得到其原子半徑。
原子半徑的測定方法
另一種更常用的方法是，指定化合物中兩個相鄰原子的核間距為兩個原子的半徑之和，再通過實驗來測定分子或固體中原子的核間距，從而求得相關原子的原子半徑。有關書籍和手冊上提供的原子半徑通常是用第二種方法測定的。利用這種方法測得的原子半徑有三種∶ 一是共價半徑，由共價分子或共價晶體中原子的核間距計算得出;二是是范德華半徑，由分子晶體中共價分子之間的最短距離計算得出；三是金屬半徑，由金屬晶體中原子之間的最短距離計算得出。
一般有下列關系:
范德華半徑>金屬半徑>共價半徑
【觀察思考】
觀察教材“元素的原子半徑及相應的比例模型”，總結歸納元素的原子半徑隨著元素原子序數的遞增呈現的周期性變化規律。
1.同周期元素自左至右原子半徑變化規律
2.同主族元素自上至下原子半徑變化規律
常見原子的半徑
核電荷數越大，核對電子的吸引作用也就越大，將使原子的半徑減小。
電子的能層越多，電子之間的排斥作用越大，將使原子的半徑增大。
原子半徑
電子的能層數
核電荷數
取決于
(1)原子半徑大小的影響因素
①電子的能層數
這兩個因素綜合使原子半徑呈現周期性的遞變
(1)原子半徑大小的影響因素(相反的因素)
電子層越多，
電子排斥作用越大
原子半徑增大。
②核電荷數
核電荷數越大，
吸引作用越大，
原子半徑減小。
同主族元素
同周期元素
從上到下，原子半徑逐漸增大
從左到右，原子半徑逐漸減小
(2)原子半徑大小的變化規律
①主族元素
同一周期自左至右原子半徑逐漸減小，但變化幅度不大。
原因是同一周期過渡元素增加的電子都分布在(n－1)d軌道上，電子間的排斥作用與核對電子的吸引作用大致相當。
②過渡元素
Why
原子半徑
同周期
同主族
從左到右，隨核電荷數增大，
原子半徑 。
減小
從上到下，隨電子的能層數增多，
原子半徑 。
增大
2.原子半徑遞變規律
原子半徑
取決于
電子的能層數
核電荷數
原子半徑_____
越大
能層數越多
能層數相同
核電荷數越大
核對電子的引力也就越大
導致
原子半徑_____
越小
1.原子半徑的決定因素
3.粒子半徑的比較方法(“三看法”）
電子的能層數
原子半徑_____
越大
能層數越多
特例：rLi>rAl
核電荷數
能層數相同
原子半徑_____
越大
核電荷數越小
①
②
核外電子數
原子半徑_____
越大
核外電子數越多
核電荷數和能層數都相同
③
【總結歸納】
微粒半徑大小的比較的探究
微粒特點 比較方法 實例
原子 同周期元素
同主族元素
一般原子
離
子 具有相同電子層結構
電子數和核電荷數均不同
同種元素的原子和離子
核電荷數越大，半徑越小
核電荷數越大，半徑越大
一般電子層數越多,半徑越大
r(Na)>r(Mg)>r(Al)
r(Br)>r(Cl)>r(F)
r(S)>r(C)
核電荷數越大,半徑越小
通過電子數或核電荷數相同的微粒作參照物
價態越高，半徑越小
r(Na＋)> r(Mg2＋) > r(Al3＋)
r(S2－)> r(O2－) >r(Al3＋)
r(Fe)>r(Fe2＋) >r(Fe3＋)，
r(H－)>r(H)> r(H＋)
思考
元素周期表中元素原子得失電子能力呈現的遞變規律是什么？如何利用原子半徑和價電子數進行解釋？
同周期自左至右元素原子得失電子
同主族自上至下元素原子得失電子
失電子能力逐漸減弱，得電子能力逐漸增強
失電子能力逐漸增強
得電子能力逐漸減弱
位于元素周期表中金屬與非金屬元素分界線周圍元素的原子獲得或失去電子的能力都不強。
回顧思考
（1）比較元素失電子能力（金屬性）強弱的方法有哪些？
（2）比較元素得電子能力（非金屬性）強弱的方法有哪些？
單質與水或酸反應置換出氫氣的難易程度
最高價氧化物對應水化合物堿性的強弱
單質與氫氣反應的難易程度
形成氣態氫化物的穩定性
最高價氧化物對應水化物酸性強弱
【歸納總結】
項目 同周期(從左→右) 同主族(從上→下)
原子核外電子排布 電子層數相同，最外層電子數逐漸增多，1→7(第1周期1→2) 最外層電子數相同，
電子層數遞增
原子半徑 逐漸減小(0族除外) 逐漸增大
元素主要化合價 最高正價由＋1→＋7，
最低負價由－4→－1 最高正價＝主族序數(氟、氧除外)，
非金屬最低負價＝主族序數－8(氫除外)
原子得、失電子能力 得電子能力逐漸增強，
失電子能力逐漸減弱 得電子能力逐漸減弱，
失電子能力逐漸增強
元素金屬性、非金屬性 金屬性逐漸減弱
非金屬性逐漸增強 金屬性逐漸增強
非金屬性逐漸減弱
元素性質遞變規律
為滿足科學研究和生產實踐的需要，對原子得失電子的能力僅有定性的分析往往是不夠的，因此人們不斷嘗試尋找能定量地衡量或比較原子得失電子能力的方法。不過，在化學變化中伴隨著不同原子核外電子之間的相互作用等復雜過程的發生，要想借助化學變化來確立定量描述某種原子得失電子能力的參數并不容易。請你充分發揮想象力，嘗試找到解決這個問題的思路。
聯想質疑
二.電離能
1.電離能（I）
①定義：
氣態基態原子或氣態基態離子失去一個電子所需要的最小能量叫做電離能。
②符號：I 單位：KJ/mol
M(g)= M+ (g) + e- I1（第一電離能）
M+(g)= M2+ (g) + e- I2（第二電離能）
M2+(g)= M3+ (g) + e- I3（第三電離能）
③表示式：
④電離能的意義：
表示氣態原子失去電子難易程度的物理量。
①第一電離能（I1）:元素原子失去一個電子的電離能，常用符號I1表示;
如：鈉元素I1=496KJ/mol是指Na(g)= Na＋(g)+e－時所需的最小能量為496KJ/mol。
含義：處于基態的氣態原子失去一個電子，生成＋1價氣態陽離子所需的最小能量。
②第二電離能（I2）:元素原子失去一個電子后，再失去一個電子
的電離能， 常用符號 I2表示;
③第三電離能（I3）：......
2.逐級電離能
同一原子的各級電離能之間存在如下關系：I1電離能越小，表示在氣態時該元素的原子（或離子）越容易失去電子;
電離能越大，表示在氣態時該元素的原子（或離子）越難失去電子。
通常運用電離能數值來判斷金屬元素的原子在氣態時失去電子的難易程度。
3.電離能含義及應用
Li、Mg的電離能數據
元素 I1 KJ/mol I2 KJ/mol I3 KJ/mol
Li 520 7295 11815
Mg 738 1451 7733
【交流討論】
為什么鋰元素易形成Li＋，而不易形成Li2＋；鎂元素易形成Mg2＋，而不易形成Mg3＋？
Li原子最外層一個電子，第一電離能小，容易失去，第二電離能為次外層電子不易失去；
Mg原子最多外層兩個電子，第一和第二電離能遠大于此外層的第三電離能，易失去兩個電子。
當相鄰逐級電離能突然變大時，說明其電子層發生變化，即同一電子層中電離能相近，不同電子層中電離能有很大的差距。
觀察圖1-3-4，請你說明元素的第一電離能隨著元素原子序數的遞增呈現怎樣的變化規律，并從原子結構的角度加以解釋。
【觀察思考】
同周期元素電離能變化規律？
同主族元素電離能變化規律？
4.電離能的變化規律
(1)同一周期的元素，堿金屬元素的第一電離能最小，稀有氣體元素的第一電離能最大;
(2)從左到右，元素的第一電離能在總體上呈現從小到大的變化趨勢，表示元素原子越來越難失去電子。
(3)同主族元素，自上而下第一電離能逐漸減小，表明自上而下原子越來越容易失去電子。
(4)過渡元素的第一電離能的變化不太規則，對同一周期的元素而言，總體上隨元素原子序數的增加第一電離能從左到右略有增加。
4.電離能的變化規律
⑴核電荷數
⑵原子半徑
⑶電子層結構：穩定的8電子結構（同周期末層）電離能最大。
5.影響電離能大小因素
電子層數相同，
核電荷數越多
半徑
越小
核對外層電子
吸引力越大
越不易
失去電子
電離能
越大
同族原子
半徑越大
原子核對外層
電子的引力越小
越易失
去電子
電離能越小
He
Ne
Ar
H
Li
Na
Be
B
C
N
O
F
Mg
Al
Si
P
S
Cl
短周期元素的第一電離能
在第二周期中Be和N元素及第三周期中Mg和P的第一電離能大于相鄰的元素的第一電離能。為什么？
（1）所失電子的能級：
能量：3s2 < 3p1
（2）價層電子排布：
全空、半滿、全滿
狀態更穩定，所需能量高。
【交流討論】
⑶利用逐級電離能判斷化合價，判斷原子失去電子的數目或形成的陽離子的電荷。
如K： I1 I2＜I3 ，表明K原子容易失去一個電子形成＋1價陽離子。
⑴確定核外電子排布。
如Li：I1 I2＜I3,表明Li核外3個電子排布K、L層,最外層只1個電子。
⑵判斷元素性質強弱或判斷金屬原子在氣態時失電子的難易程度。I1 越大，元素非金屬性越強；I1 越小，元素金屬性越強。
6.電離能的應用
原子的第一電離能與元素性質有何關聯？
電離能越小，表示在氣態時該原子失去電子越 ，即元素的_____性越強；
電離能越大，表明在氣態時該原子失去電子 ,即元素的________性越弱。
容易
越難
金屬
金屬
【交流討論】
金屬活動性順序為K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、（H）、Cu、Hg、Ag、 Pt、Au。該順序表示從K 到 Au，在水溶液中金屬單質中的原子失去電子越來越困難。金屬元素的電離能是指金屬元素原子（或離子）在氣態時失去電子成為氣態陽離子的能力，它是金屬元素原子（或離子 ）在氣態時活潑性的量度。
因為金屬活動性順序與電離能所對應的條件不同，所以二者不可能完全一致。例如，鈉元素的第一電離能為 496 kJ·mol-1，鈣元素的第一電離能和第二電離能分別為 590 kJ·mol-1、 1145 kJ·mol-1，表明氣態鈉原子比氣態鈣原子更容易失去電子，更加活潑。但是，因為 Ca2+形成水合離子時放出的能量（1653kJ·mol-1）遠比Na+形成水合離子時放出的能量（405kJ·mol-1）多，所以在水溶液里鈣原子比鈉原子更容易失去電子，即在金屬活動性順序中鈣排在鈉的前面。由此可以看出，我們用某種規律分析問題時一定要注意具體條件。
追根尋源
金屬的活動性順序與金屬元素電離能的大小順序為什么不一致
電子親和能反映的是氣態原子結合電子的難易程度。元素的氣態原子（或離子）獲得一個電子所放出的能量稱為電子親和能，單位為kJ·mol-1。習慣上規定，體系放出能量時電子親和能為正，體系吸收能量時電子親和能為負。
電子親和能的大小反映了氣態原子獲得電子成為氣態陰離子的難易程度。無論在同一周期中還是在同一族中，電子親和能沒有表現出簡單的變化規律。此外，電子親和能的數據不易測定，準確性較差，來自不同文獻的數據往往不同，因此電子親和能的應用遠不如電離能廣泛。
拓展視野
部分元素的第一電子親和能
原子半徑及其變化規律
同周期自左至右半徑依次減小
同主族自上至下半徑依次增大
得電子能力逐漸增強
失電子能力逐漸減弱
得電子能力逐漸減弱
失電子能力逐漸增強
原子核對逐漸外層電子吸引力增強
原子核對外層電子吸引力逐漸減弱
電離能
定義
應用
變化規律
氣態基態原子或氣態基態離子失去一個電子所需要的最小能量稱為電離能
同一周期從左到右，電離能有逐漸增大趨勢，有起伏。
同一主族從上到下，電離能逐漸減小。
過渡元素的第一電離能的變化不太規則
判斷金屬元素的原子在氣態時失去電子的難易程度
1、下列原子的價電子排布中，對應的第一電離能最大的是( ) A.3s23p1 B.3s23p2 C.3s23p3 D.3s23p4
C
2、有一種元素的逐級電離能數據如下：
電離能 I1 I2 I3 I4 ……
kJ·mol-1 578 1817 2745 11578 ……
當它與氯氣反應時最可能生成的陽離子是( )
A.X+ B.X2+ C.X3+ D.X4+
C
A
3、下列敘述正確的是(　　)
A.第三周期所含元素中,鈉的第一電離能最小
B.鋁的第一電離能比鎂的第一電離能大
C.在所有元素中,氟的第一電離能最大
D.鉀的第一電離能比鎂的第一電離能大
根據表中所列數據的判斷錯誤的是（ ）
A.元素X是第ⅠA族的元素
B.元素Y的常見化合價是＋3
C.元素X與O形成化合物時，化學式可能是X2O2
D.若元素Y處于第三周期，它可與冷水劇烈反應
元素 I1 I2 I3 I4
X 496 4 562 6 912 9 543
Y 578 1 817 2 745 11 575
D
4.下表中：X、Y是主族元素，I為電離能，單位是kJ·mol－1。
5.已知An＋、B(n＋1)＋、Cn－、D(n＋1)－都具有相同的電子層結構，則
A、B、C、D的原子半徑由大到小的順序是______________________，
離子半徑由大到小的順序是__________________________，
原子序數由大到小的順序是________________________。
A>B>D>C
D>C>A>B
B>A>C>D
6.運用元素周期律，判斷下列語句，其中正確的是 。
①堿金屬單質的熔點隨原子序數的增大而降低
②砹(At)是ⅦA族，其氫化物的穩定性小于HCl
③根據同周期元素的失電子能力變化趨勢，推出Al的金屬性比Mg大
④第2周期非金屬元素的氣態氫化物溶于水后，水溶液均為酸性
⑤鉈(Tl)與鋁同主族，其單質既能與鹽酸反應，又能與氫氧化鈉溶液反應
⑥若X＋和Y2－的核外電子層結構相同，則原子序數：X>Y
①②⑥

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