# 第一电离能递变规律

> IB 化学 SL · IB 化学 SL 2025
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-first-ionization-energy-trends/

本模块涵盖第一电离能在同周期和同主族的一般递变规律，解释这些规律的常见例外，并将所有规律与底层的原子结构和电子排布建立联系。

**先修:** [电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-electron-configuration/); [原子结构基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-atomic-structure/)

## 学习目标

- 按照IB大纲要求正确定义第一电离能
- 解释第一电离能在同周期和同主族的一般递变规律
- 识别并解释一般规律的常见例外
- 将规律与根本影响因素建立联系：核电荷、屏蔽效应和电子排布

## 定义和关键影响因素

**第一电离能** — 从1摩尔中性气态原子中失去1摩尔电子，生成1摩尔气态+1离子所需的最低能量，单位通常为 kJ mol⁻¹。

*记法:* IE_1

*例:* 对于钠，该过程可写为 $Na(g) \rightarrow Na^+(g) + e^-$，其中 $IE_1 = +496$ kJ mol⁻¹

三个核心因素决定任意元素$IE_1$的大小：

- **核电荷**：原子核中质子数越多，对外层电子的吸引力越强，因此$IE_1$越大。
- **屏蔽效应**：内层电子壳层会阻挡原子核的吸引力。内层电子壳层越多，屏蔽效应越强，因此$IE_1$越小。
- **与原子核的距离**：外层电子离原子核越远，感受到的吸引力越弱，因此$IE_1$越小。

> **info**
>
> 电离过程总是吸热的，因此所有$IE_1$值均为正值。

**例题:** 写出钙的第一电离能对应的正确化学方程式。

1. 1. 回忆定义：反应起始为1摩尔气态中性钙原子，失去1个电子形成1摩尔气态+1钙离子。
2. 2. 为所有物种添加正确的状态符号：
3. $$Ca(g) \rightarrow Ca^+(g) + e^-$$

## 第一电离能的同主族递变规律

在元素周期表中，任意主族从上到下，第一电离能的总体趋势是逐渐减小。这一趋势可以用上述三个关键因素的变化来解释：

- 同主族从上到下核电荷增大，这一因素会使$IE_1$有增大趋势。
- 但同主族从上到下，每一种元素都比上一种多一个填满的内层电子壳层，因此屏蔽效应显著增大，且外层电子离原子核更远。
- 屏蔽效应增大和距离增加的影响超过了核电荷增大的影响，最终导致原子核与外层电子之间的净吸引力减小。

**例题:** 解释为什么钾的第一电离能低于钠。

1. 1. 钾位于第一主族钠的下方，因此比钠多一个填满的内层电子壳层。
2. 2. 钾的核电荷比钠更高，但屏蔽效应增大使得外层电子离原子核更远。
3. 3. 屏蔽效应和距离增加的影响超过了核电荷更高的影响，因此原子核对外层电子的净吸引力更低。
4. 4. 从钾中移除外层电子所需能量更少，因此其$IE_1$低于钠。

## 同周期递变规律和常见例外

同周期从左到右，第一电离能的总体趋势是逐渐增大。同周期内所有元素的内层电子壳层数目相同，因此屏蔽效应大致恒定。每向右一种元素，核电荷增加1个质子，因此有效核电荷增大。这将外层电子拉得更靠近原子核，吸引力增大，因此移除电子需要更多能量，故$IE_1$增大。

同周期的这个规律存在两种常见例外，我们将在下方用第三周期的例子进行说明：

**例题:** 解释为什么铝的第一电离能低于镁。

1. 1. 写出两种元素的全电子排布：
2. $$Mg: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$$
3. $$Al: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$$
4. 2. 铝的外层电子位于能量更高的3p亚壳层，比镁外层电子所在的3s亚壳层离原子核更远。
5. 3. 尽管铝的核电荷更高，但移除铝能量更高的3p电子所需能量更少，因此$IE_1$的Al低于Mg。

**例题:** 解释为什么硫的第一电离能低于磷。

1. 1. 写出两种元素的价电子排布：
2. $$P: 3s^2 3p^3$$
3. $$S: 3s^2 3p^4$$
4. 2. 磷的三个3p电子都分占不同轨道，均未成对；硫的第四个3p电子在一个3p轨道中成对。
5. 3. 同一轨道中的成对电子会产生更高的电子间排斥，因此移除硫的成对电子更容易。
6. 4. 这种排斥效应超过了硫核电荷更高的影响，因此$IE_1$的S低于P。

> **tip**
>
> 这两种例外模式在每个周期都会重复：1) 第13族的$IE_1$低于第2族，2) 第16族的$IE_1$低于第15族。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为$IE_1$同主族递减仅因为核电荷增大
  - 原因: 同主族核电荷确实增大，但这个作用被屏蔽效应和距离的影响抵消了。这种解释不完整，会失分。
  - 正确做法: 解释为：外层电子的屏蔽效应增大、离原子核更远，这些影响超过了核电荷更高的影响，导致同主族从上到下$IE_1$降低。
- **错误做法:** 声称$IE_1$在整个同周期中毫无例外地递增
  - 原因: 考官经常考查对这两种常见例外的理解，省略例外会失分。
  - 正确做法: 先陈述总体递增趋势，再列出两种例外，并结合电子排布解释其成因。
- **错误做法:** 在电离能方程式中使用固态或水溶液状态符号
  - 原因: 第一电离能的定义明确针对气态原子，因此错误的状态符号会被扣分。
  - 正确做法: 始终为中性原子和产物+1离子标注(g)状态符号。
- **错误做法:** 用硫的屏蔽效应更大来解释硫和磷之间$IE_1$的例外
  - 原因: 两种元素位于同一周期，内层壳层数目相同，屏蔽效应完全相同。
  - 正确做法: 用硫的3p轨道中成对电子之间更高的电子间排斥来解释这个例外。

## 速查表

| 规律类型 | 总体方向 | 核心原因 | 常见例外 |
| --- | --- | --- | --- |
| 同主族从上到下 | 递减 | 屏蔽效应增大 + 外层电子距离更远，影响超过核电荷增大 | 无 |
| 同周期从左→右 | 递增 | 屏蔽效应恒定，有效核电荷逐渐增大 | 第13族 < 第2族，第16族 < 第15族 |

## 下一步

第一电离能规律是理解周期性的核心，观测到的例外为电子亚壳层的存在提供了直接实验证据，证实了你之前学习的电子排布模型。这个概念是所有其他周期性规律（包括原子半径、电负性和金属性）的基础，所有这些规律都经常在IB化学SL的Paper 1和Paper 2中考查。它还和逐级电离能直接相关，后者可用于从实验数据推导电子排布。

- [结构3：化学键](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-overview/)
- [离子键与结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-ionic-bonding-and-structure/)
- [共价键](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-covalent-bonding/)

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