电离能

CIE A-Level 化学· 5 分钟阅读

1. 定义与关键影响因素★★☆☆☆⏱ 15 min

📘 定义

第一电离能

I_1

从1摩尔气态原子移除1摩尔电子，生成1摩尔气态1+离子所需的能量。

例:

对于钠： $Na (g) \to Na^{+} (g) + e^{-} Δ H = I_{1}$

📘 定义

逐级电离能

第一个电子移除后，依次从气态原子/离子中移除每个电子对应一系列电离能。

例:

钠的第二电离能： $Na^{+} (g) \to Na^{2 +} (g) + e^{-} Δ H = I_{2}$

影响任何电离能大小的四个主要因素：

核电荷：质子数越多，原子核对外层电子的吸引力越强，电离能越大。
原子半径：原子核与外层电子的距离越大，吸引力越弱，电离能越小。
屏蔽效应：内层电子排斥外层电子，降低了原子核的净吸引力，电离能越小。
亚层稳定性：全充满或半充满亚层中的电子具有额外稳定性，电离能更大。

📐 例题

写出铝的第三电离能的配平反应方程式。

1
记住，第n级电离能是从(n-1)+价气态离子中移除1摩尔电子。对于第三电离能，反应物是气态Al²⁺。
2
写出完整的配平方程式：
3
$\text{Al}^{2+}(g) \rightarrow \text{Al}^{3+}(g) + e^-$

Exam tip:

在电离能方程式中，所有物种都必须标注(g)气态状态符号——阅卷老师通常会对漏标气态状态扣分。

2. 第一电离能的变化趋势★★★☆☆⏱ 20 min

第一电离能有两个关键的周期性趋势：

同主族向下：每新增一个元素就多一个内层电子壳层，因此屏蔽效应和原子半径都增大。这些影响超过了核电荷增加的影响，因此第一电离能减小。
同周期从左到右：核电荷增大，而电子都添加到同一外层壳层，因此屏蔽效应几乎不变。吸引力增强，原子半径减小，因此第一电离能总体增大。在第2族→13族和第15族→16族之间会出现趋势的小幅下降。

📐 例题

解释为什么氯的第一电离能高于硫。

1
两种元素都在第三周期，它们的外层电子都在n=3壳层，因此两者的屏蔽效应相同。
2
氯比硫多一个质子，因此核电荷更高。
3
更高的核电荷使原子核与外层电子之间的吸引力更强。
4
移除电子需要更多能量，因此氯的第一电离能更高。

3. 逐级电离能与电子排布★★★☆☆⏱ 18 min

逐级电离能中出现的大幅比例跳跃，说明下一个电子是从更靠近原子核的新内层电子壳层中移除的。利用这个规律我们可以推导元素的外层电子数，进而推导出未知元素的族序数。

📐 例题

某元素的逐级电离能（kJ mol⁻¹）为：738、1451、7733、10540、13630。推导该元素所在的族。

1
寻找相邻电离能之间最大的比例跳跃。第二电离能（1451）和第三电离能（7733）之间的跳跃达到了5倍，远大于其他变化。
2
这个大幅跳跃证实，在移除两个电子后，下一个电子是从更靠近原子核的内层壳层移除的。
3
这说明该元素有两个外层电子，因此属于元素周期表的第2族。

4. 考试答题用语★★★★☆⏱ 10 min

✓ 快速检测

测试你的理解：

对于第15族元素，第一次大幅跳跃出现在哪里？
- 移除3个电子后
- 移除5个电子后
- 移除15个电子后
- 移除2个电子后
显示答案
After 5 electrons —
正确：第15族元素有5个外层电子，因此在所有5个外层电子都被移除后才会出现大幅跳跃。

5. 常见陷阱

错误做法:

忘记在电离能方程式中标注(g)气态状态符号

原因:

CIE阅卷老师总会对漏标状态符号扣分，因为电离能仅对气态物种有定义

正确做法:

在所有电离能方程式中，每个物种都必须标注(g)

错误做法:

仅通过核电荷增加解释同主族电离能降低

原因:

核电荷确实会增加，但屏蔽效应和原子半径增大的影响更大，主导了变化趋势

正确做法:

解释同主族趋势时，一定要说明增大的屏蔽效应和原子半径超过了核电荷增加的影响

错误做法:

分析逐级电离能时，认为先移除内层电子

原因:

电子总是先从能量最高（最外层）的壳层移除

正确做法:

外层电子先被移除，因此在所有外层电子被移除后，进入内层壳层时才会出现大幅跳跃

错误做法:

将镁和铝之间的电离能下降归因于铝的核电荷更大

原因:

虽然核电荷确实更高，但关键因素是外层电子的能级

正确做法:

解释这个下降时要说明：铝的外层电子位于能量更高的3p亚层，离核更远，因此移除需要的能量更少

6. 速查表

概念	要点	趋势总结
第一电离能	从气态原子移除1 mol电子所需的能量
逐级电离能	始终递增；大幅跳跃 = 进入新内层壳层
同主族向下	I₁ 递减	屏蔽效应↑、半径↑ > 核电荷↑
同周期从左到右	I₁ 总体递增	核电荷↑、屏蔽效应不变、半径↓
例外1：第2族 → 13族	I₁ 下降	外层电子在能量更高的p亚层
例外2：第15族 → 16族	I₁ 下降	p轨道中成对电子存在额外排斥

7. 常见问题

为什么逐级电离能总是递增？

每移除一个电子后，电子都是从正电性越来越高的离子中移除，剩余电子受到原子核的吸引力更强，因此需要更多能量。

为什么铝的第一电离能低于镁？

铝的最外层电子位于能量更高的3p亚层，比镁最外层的3s电子离核更远，因此移除它需要的能量更少。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 1
从电离能数据推导元素族序数
2023 · 2
解释第三周期的电离能变化趋势
2021 · 1
写出电离能的反应方程式

深入阅读

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下一步

电离能是CIE A-Level化学的核心基础概念，在选择题和结构化试题中都大量考察。理解电离能的变化规律能帮助你解释其他周期性性质，如电负性、原子半径和反应性，也支撑了电子亚层结构模型，而这个模型是所有化学键和反应性的基础。本主题直接关联整个周期性的学习，周期性是AS课程后半段的重要主题。现在掌握电离能的解释方法，能帮助你在之后的许多常见考题中拿到满分。