第一电离能递变规律

IB 化学 SL· 结构 2.2 电子排布· 15 分钟阅读

1. 定义和关键影响因素★★☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

第一电离能

IE_1

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。

例:

对于钠，该过程可写为 $N a (g) \to N a^{+} (g) + e^{-}$ ，其中 $I E_{1} = + 496$ kJ mol⁻¹

三个核心因素决定任意元素 $I E_{1}$ 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 $I E_{1}$ 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 $I E_{1}$ 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 $I E_{1}$ 越小。

📐 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
1. 为所有物种添加正确的状态符号：
3
$Ca(g) \rightarrow Ca^+(g) + e^-$

2. 第一电离能的同主族递变规律★★☆☆☆⏱ 5 min

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 $I E_{1}$ 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
1. 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
1. 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
1. 从钾中移除外层电子所需能量更少，因此其 $I E_{1}$ 低于钠。

3. 同周期递变规律和常见例外★★★☆☆⏱ 8 min

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 $I E_{1}$ 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
1. 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
1. 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 $I E_{1}$ 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
1. 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
1. 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
1. 这种排斥效应超过了硫核电荷更高的影响，因此 $I E_{1}$ 的S低于P。

4. 常见陷阱

错误做法:

认为 $I E_{1}$ 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 $I E_{1}$ 降低。

错误做法:

声称 $I E_{1}$ 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 $I E_{1}$ 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。

5. 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

6. 常见问题

为什么第一电离能不是同周期一直增大？

例外来自亚壳层能量差异和电子间排斥。例如，铝的 $I E_{1}$ 低于镁，因为铝的外层电子占据能量更高的3p亚壳层，而非能量更低的3s亚壳层。

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。

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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。