问答题 试说明元素的第一电离能在同周期中总的变化规律及其原因,并对于一些违反规律的现象加以讨论。
【正确答案】电离能的大小主要取决于原子核电荷数、原子半径和电子构型。在同一周期中,从左向右随着核电荷数的增多和原子半径的减小,原子核对外层电子的引力增大,电离能呈递增趋势。
   短周期主族元素的第一电离能从左向右增加的程度较大,原因是其原子半径减小的程度大。过渡元素的第一电离能从左向右增加的程度较小,原因是其原子半径减小的程度小。同样的理由内过渡元素第一电离能增加的程度更小,且规律性不明显,因为它们新增加的电子是填入(n-1)d或(n-2)f轨道,而最外层基本相同。这是一般规律,但是有反常现象出现。见如下数据:
   
元素
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
I1/(kJ·mol-1)
520
900
801
1086
1402
1314
1681
2081
元素
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
I1/(kJ·mol-1)
496
738
578
787
1012
1000
1251
1521

   短周期主族元素的第一电离能变化出现两处反常,第一处反常的原因是由于Li、Be(或Na、Mg)失去的是2s电子,B开始失去的是2p电子,2p电子钻穿效应不及2s电子,受内层电子屏蔽作用比2s电子大,故能量比2s电子高,易失去。
   第二处反常是由于N(或P)的2p轨道已半充满,从O(或s)开始增加的电子要填入p轨道,必然要受到原来已占据该轨道的那个电子的排斥,即要克服电子成对能。因此,这些电子与原子核的吸引力减弱,易失去。
   另外,出现反常还与它们的电子构型有关。B为[He]2s2sp1,当2p电子失去后变成[He]2s22p0,即达到2s全满及2p全空的稳定结构,因此,B电离能较低;同样O的电子构型为[He]2s22p4,先失去一个2p电子后就变成[He]2s22p3,即p轨道达到半充满的稳定结构。所以I1有所降低(反而小于N的第一电离能)。
   长周期过渡元素中Mn和zn分别有3d54s2和3d104s2对称性高的稳定电子构型,不易失去电子,故电离能较前面元素增加较多。见如下数据:
   
元素
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
I1/(kJ·mol-1)
633
656
651
653
717
762
760
727
746
906
【答案解析】