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視頻標簽：電離能
所屬欄目：高中化學優質課視頻
視頻課題：人教版化學選修3第一章 第二節《電離能及其變化規律》-陜西
教學設計、課堂實錄及教案：人教版化學選修3第一章 第二節《電離能及其變化規律》-陜西省咸陽市實驗中學
教版選修3《物質結構與性質》第一章第二節原子結構與元素的性質
《電離能及其變化規律》教學設計
陜西省咸陽市實驗中學葛秋萍
一、教材分析
學生通過對必修2相關知識的學習，已經能夠從原子結構的角度出發，結合元素周期律和元素周期表的相關知識對原子得失電子的難易進行定性地判斷。但是，在實際生產、生活和科學研究中，僅有定性的判斷是遠遠不夠的。本節教材引入“電離能”這一描述元素性質的物理量，旨在從定量的角度來說明原子得失電子能力的強弱。教材通過對電離能定義的描述，電離能變化規律及其本質的討論，引導學生在必修2對元素周期律學習的基礎之上建立起新的“位(元素在周期表中的位置)—構(原子結構)—性(元素性質)”三者之間的關系。
高中化學新課程標準對本節內容的要求是：能說出元素電離能的涵義，能應用元素電離能解釋或說明元素的某些性質。普通高中新課程教師用書中提出本課題的教學目標是：了解元素電離能的定義，知道同種元素逐級能及同一周期、同一主族元素第一電離能的變化規律，知道元素電離能和原子核外電子排布的關系，能夠應用元素電離能說明原子或離子失去電子的難易，解釋某些元素的主要化合價，理解電子是分層排布的。
二、教學過程
本節課的教學設計以培養學生的核心素養這一新的教學理念為指導，基于圖表分析設置多個層層遞進問題引導學生有效展開學習活動，充分運用問題教學法，以問題情景為起點（提出問題），問題探究為中心（探究問題），問題解決為終點（解決問題），以問題為主線引領整個教學過程，引導學生運用圖表分析、探究、解決教師提出的問題，進而完成對“電離能及其變化規律”的知識學習與建構。
環節一：提出問題（問題情景為起點）
[PPT投影]科學史話：在布瓦博德朗發現元素鎵之前，門捷列夫準確預言在鋅與砷之間存在類鋁元素和類硅元素。
[提問]在19世紀科技水平并不發達的時代，門捷列夫就能準確預言，讓人非常欽佩。你知道門捷列夫成功預言的依據是什么嗎？
[學生齊答]元素周期律。
[師]今天，就讓我們每位同學也來當一次門捷列夫，依據必修2所學元素周期律的相關知識來完成下列推測。
2
[投影]合理推測：結合元素周期律，比較下列元素原子的失電子能力。 LiBe、BeMg、 LiMg
[生]思考、回答上述問題。在解決問題的過程中進而發現新問題：利用必修2所學元素周期律的相關知識已無法比較出鋰和鎂的失電子能力大小。
[師]看來，利用必修課本中元素周期律的相關知識已無法比較出鋰和鎂失電子能力的大小，為了解決這個問題，今天，我們一起來學習“電離能”這一從定量的角度去描述原子失電子能力大小的物理量。
環節二：探究問題（問題探究為中心） [師]下面，我們首先來認識什么是電離能。
[投影]請同學們認真閱讀課本第17頁：2.電離能 第一自然段的內容，準確把握關鍵字、詞、句的含義，明確電離能的概念、意義及分類。
[生]在教師引導下，學生通過自主閱讀課本內容，完成電離能的定義、意義及其分類等知識的學習。
[師]引導學生透徹分析電離能的定義、意義和分類。
[板書]1、定義：基態氣態原子或離子失去一個電子所需要的最低能量，符號：I，單位：kJ/mol
2、意義：衡量氣態原子或離子失去電子的難易程度 3、分類：I1、I2、I3„„
[過渡]I1、I2、I3等逐級電離能的大小關系如何，有沒有變化規律可循呢?下面我們一起來探究同一元素逐級電離能的變化規律。
[投影](1)同一元素逐級電離能變化規律的探究
下表中的每列數據從左到右代表Na﹑Mg﹑Al逐級失去電子的電離能。
I1 I2 I3 I4 Na 496 4562 6912 9543 Mg 738 1451 7733 10540 Al
578
1817
2745
11575
[小組合作探究活動]結合表中數據，以小組為單位，討論、解決下述兩個問題。 ①同一元素逐級電離能大小關系有怎樣的變化規律？
②以鈉元素為例，試著從原子結構的角度去解釋其逐級電離能的變化趨勢。[師]對如何讀取表格中相關數據信息進行示范教學。
[生]在教師引導下進行表格數據的分析，小組討論解決上述兩個問題。 [生1]同一元素逐級電離能逐漸增大。
[生2]因為隨著電子的逐個失去，陽離子所帶的正電荷數越來越大、半徑越來越小，對核外電子的吸引能力越來越強，再要失去一個電子需克服的電性引力也越來越大，消耗的能量也越來越多。因此原子的逐級電離能越來越大。
[過渡]在實際應用中，若不特殊說明，一般指的是第一電離能，下面我們共同來探究同周期主族元素第一電離能的變化規律。
[投影](2)同周期主族元素第一電離能變化規律的探究
[展示]下表為第三周期元素第一電離能的數值，請同學們結合上述數據，分別以元素的原子序數、第一電離能為橫、縱坐標，繪出第三周期元素第一電離能的變化趨勢圖。
第三周期元素第一電離能(kJ·mo1 -1 )的數值
元素 Na Mg Al Si P S Cl Ar I 1 (kJ·mo1 -1 )
496
738
577
786
1012
999
1256
1520
[生]獨立繪制第一電離能的變化趨勢圖。
[提示]①建立合理的坐標系；②用描點法在坐標系中找出關鍵點；③用線段順次連接各點。
[小組合作探究活動]根據所繪出的第三周期元素第一電離能的變化趨勢圖，以小組為單位，思考、討論下列問題：
①該周期中第一電離能最大和最小的各是哪種元素？分析該周期元素第一電離能有何變化趨勢？你能從原子結構的角度去解釋嗎？
②該變化趨勢中，你發現反常現象了嗎？可能的原因是什么？ ③預測第2周期元素從左到右第一電離能的變化趨勢及反常現象。 [師]接下來，我們先來討論第一個問題。
4
[提示]原子結構主要指的是核外電子排布（尤其是最外層電子排布）、核電荷數、原子半徑等。（板書在影響因素處）
[生3]第三周期中第一電離能最大的元素是Ar，最小的是Na。堿金屬元素核外電子排布為ns1，同周期中（除稀有氣體外）原子半徑最大，易失去一個電子，形成穩定結構，因此第一電離能在同周期中最小。稀有氣體最外層電子排布為ns2np6，已達穩定結構，難以失電子，因此第一電離能在同周期中最大。
該周期元素的第一電離能，從左到右遞變的總趨勢是依次增大，原因是同周期元素從左到右，核電荷數增多，而能層數不變，原子半徑逐漸減小，原子核對核外電子的吸引力逐漸增大，原子失電子能力逐漸減小，第一電離能有逐漸增大的趨勢。
[生4]Al的第一電離能反而比Mg小，S的第一電離能反而比P小。
[師]對問題②中反常數據原因的分析進行引導。可能的原因要從哪個角度分析呢?（原子結構）。請同學們先寫出鎂、鋁的價層電子排布式，再回顧洪特規則的特殊情況。有了以上知識的支撐，我們再來分析原因。
[生]寫出Mg和Al 的電子排布式（1s22s22p63s2，O的核外電子排布式1s22s22p63s23p1）；回答洪特規則特例的內容（當原子核外的電子排布在能量相等的軌道上形成全空﹑半滿或全滿的結構時，原子的能量較低，元素的第一電離能也較大）。
[生]在教師引導下，針對Mg和Al的電子排布式，結合洪特規則，學生梳理出Mg 第一電離能大于Al的原因：Mg的外圍電子結構為3s2
，失去的是相對穩定的已充滿的3s上的電子，需要提供更多的能量；Al的外圍電子結構為3s2
3p1
，失去的是能量比3s高的 3p軌道上的電子，成為3s2
全充滿的穩定結構。
[小組合作探究活動]學生分析第一電離能P大于S的原因。
[生]P的外圍電子結構為3s23p3，失去的是相對穩定的半充滿的3p上的電子，需要提供更多的能量；S的外圍電子結構為3s23p4，易失去3p上的電子成為3p3半充滿的穩定結構。
[師]接下來我們來分析問題③：預測第2周期元素從左到右第一電離能的變化趨勢及反常現象。
[生]第一組：Be和B；第二組：N和O。
[歸納展示]當原子核外電子排布在能量相等的原子軌道上形成全空（p0、d0、f0）、半滿（p3、d5、f7）和全滿（p6、d10、f14）結構時，原子能量最低。該元素具有較大的第一電離能。如：I 1 (P )>I 1 (S)
I 1 (N )>I 1 (O) ns2np3ns2np4
[過渡]同周期主族元素的第一電離能搞明白了，同主族元素的第一電能又有什么變化規律呢?讓我們一起來探究同主族元素第一電離能的變化規律。
[投影](3)同主族元素第一電離能變化規律的探究
[小組合作探究活動]以IA 族和第ⅦA 族元素為例，結合圖像總結同主族元素第一電離能變化規律？試著從原子結構的角度解釋其本質原因。
[生]在教師引導下，學生結合圖像，分析、思考并解決上述問題：同主族元素從上到下，隨核電荷數增大，原子半徑逐漸增大，原子核對核外電子的吸引力逐漸減小，原子失電子能力逐漸增大，第一電離能逐漸減小。
[說明]不僅僅是第IA和VIIA元素的第一電離能存在著這樣的變化規律，其他主族元素也遵循著這個規律。所有的規律明白了，讓我們再回到剛開始上課提出的問題中，用我們所學知識來解決這個問題。
環節三：解決問題（問題解決為終點） [問題解決一]回歸問題情景：
結合下圖，判斷 Li 和 Mg 失電子能力強的元素是？
[投影](1)電離能的應用之一：比較原子失電子能力 [問題解決二]
Na、Mg、X 三種元素的逐級電離能數據
6
元素 I 1 (kJ·mo1 -1 ) I 2 (kJ·mo1 -1 ) I 3 (kJ·mo1 -1 ) Na 496 4562 6912 Mg 738 1451 7733 X
899
1757
14840
①從表中數據你能解釋 Na2＋
、Mg3＋
為什么不易形成嗎？你能從原子結構的角度解釋原因嗎？
②能否判斷 X 元素位于周期表中哪一主族？
[師生活動]學生分析處理表格數據，討論、解決上述相關問題，教師進行總結歸納。 [投影](2)電離能的應用之二：判斷元素的化合價
[過渡]根據剛才所學知識，我們對下列X、Y、Z三種元素的化合價進行合理推斷。 [學以致用]你能判斷出下列元素的化合價嗎？
X、Y、Z 三種元素的逐級電離能數據
元素 I 1 (kJ·mo1 -1 ) I 2 (kJ·mo1 -1 )
I 3 (kJ·mo1 -1 ) I 4 (kJ·mo1 -1 ) X 502 1020 6900 9500 Y 580 1800 2700 11600 Z
420
3500
4400
5900
[生]分析處理表格數據，解決問題：X——+2價，Y——+3價，Z——+1價。 [展示]下表中的每列數據從左到右代表X﹑Y﹑Z逐級失去所有電子的電離能。
表2X﹑Y﹑Z逐級失去所有電子的電離能
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 I13 X 578 1817 2745 11575 14842 18376 23293 27465 31853 38473 42647 201266 222316 Y 738 1451 7733 10540 13630 17995 21703 25661 31653 35458 169988 189368 Z
496
4562
6912
9543
13354
16610
20114
25496
28932
141362
159076
①判斷 X﹑Y﹑Z 分別代表哪種元素？第一電離能與金屬的活潑性有什么聯系? ②指出最高價氧化物對應水化合堿性強弱順序關系? ③電離能的突變現象與電子的分層排布有什么關系? [投影](3)電離能證明核外電子是分層排布的
[過渡]高中所學電離能與初中學的金屬活動性相同嗎?
[過渡]電離能能很好地解釋金屬的活潑性，是否也能合理地解釋初中學的金屬活動性呢?
[投影]⑷電離能與金屬活動性的比較 [師]讓我們來看一組數據吧。
[問題解決四]已知鈉的第一電離能為 496kJ·mol -1，鈣的第一電離能和第二電離能分別為 590 kJ·mol -1、1145 kJ·mol-1，為什么在金屬活動性順序表中鈣排在鈉的前面？
[提出問題]由數據可知，電離能與金屬活動性順序出現了不一致，這是為什么呢?請同學們集體大聲朗讀下列內容，要求：不要讀的越來越快，在讀的過程中仔細體會二者的不同之處。
[生]在教師引導下，學生通過大聲朗讀所給材料，解決上述問題。 [追根求源]金屬的活動性順序與電離能的大小順序為什么不一致?
你知道嗎?金屬活動性按K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au的順序減弱。該順序表示從左到右，在水溶液中金屬單質中的原子失去電子越來越難。電離能指金屬原子在氣態時失去電子成為氣態陽離子的能力，它是金屬原子在氣態時活潑性的量度。
由于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，堿金屬Li、Na、K、Rb、Cs的第一電離能分別為520 kJ·mol -1、496 kJ·mol-1、419kJ·mol-1、403kJ·mol-1、376kJ·mol-1，由此可知，氣態鋰原子最不易失去電子。但在溶液中鋰原子卻表現出異常的活潑性，其主要原因是鋰原子形成水合離子時放出520 kJ·mol -1的能量，而鈉形成水合離子時放出的能量為405kJ·mol-1。又如，鈉的第一電離能為496 kJ·mol-1，鈣的第一電離能和第二電離能分別為590kJ·mol-1、1145kJ·mol-1，表明氣態鈉原子比氣態鈣原子更易失去電子，更加活潑。但是，由于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，即在金屬活潑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。
[師]過渡元素的第一電離能變化不太規則，隨元素原子序數的增加第一電離能從左到右略有增加。這是因為對這些元素的原子來說，增加的電子大部分排在(n-1)d或(n-2)f軌道上，原子核對外層電子的有效吸引作用變化不大。
[總結]今天，我們一起學習了電離能的概念，分析了主族元素電離能的變化規律，體會到原子結構決定了電離能的變化規律，即核外電子排布的周期性變化決定了電離能的周期性變化，在此基礎上，學習了電離能的應用。總之，第一電離能的周期性遞變規律與原子半徑
8
和核外電子排布的周期性變化密切相關。整個學習過程按照提出問題、探究問題、解決問題的思路來完成。
[投影]
[過渡]今天的知識都學懂了嗎?口說無憑，能解決問題才是硬道理，讓我來檢驗一下大家的學習情況吧。
環節五：反饋訓練
[投影]1、已知X、Y是主族元素，I為電離能，單位是KJ/mol。根據下表所列數據判斷 錯誤的是 ( D )
元素 I1 I2 I3 I4 X 500 4600 6900 9500 Y
580
1800
2700
11600
A.元素X的常見化合價是+1價 B.元素Y是ⅢA族的元素
C.元素X與氯形成化合物時，化學式可能是XCl D.若元素Y處于第3周期，它可與冷水劇烈反應 2、現有四種元素的基態原子的電子排布式如下： ①1s2
2s2
2p6
3s2
3p4
②1s2
2s2
2p6
3s2
3p3
③1s2
2s2
2p3
④1s2
2s2
2p5
則下列有關比較中正確的是（ A ） A．第一電離能：④＞③＞②＞① B．原子半徑：④＞③＞②＞① C．最高正化合價：④＞③=②＞① D．非金屬性：④＞③＞②＞①
[引出問題]N和S的非金屬性強弱關系怎樣比較呢?這就得通過我們下一節課要學習的電負性來解決。
9
環節六：布置作業
[師]為了更好深入地學習下一節的內容，請同學們課后完成預習作業，具體要求如下： 方式：上網查閱相關資料。
內容：完成課本第20頁：科學探究第2題。 要求：用相關的化學反應方程式來表示。 三、板書設計
電離能及其變化規律
1、定義：基態氣態原子或離子失去一個電子所需要的最低能量，符號：I，單位：kJ/mol 2、意義：衡量氣態原子或離子失去電子的難易程度 3、分類：I1、I2、I3„„ 4、變化規律
5、影響因素：有效核電荷數、原子半徑、電子層結構 6、應用 四、教學總結
本節課是在教師引領下，學生基于圖表分析展開知識建構，采用問題教學法作為主要教學策略。首先創設問題情境引領學生回顧元素周期律，運用周期律去解決問題，進而產生矛盾沖突，激發學生進一步求知的欲望，從而引入本節課的主題。接著，采用教師引導、學生自主歸納、思考總結的方式完成“電離能”相關概念的學習。然后，在教師引導下，以學生為主體，基于圖表分析展開三組問題的探究，從而完成對“電離能及其變化規律”這一重難點的突破。隨后，采用任務驅動的方式，引導學生解決三個問題，進而完成對“電離能的應用”的知識學習。最后，設置了兩道習題來檢測學生的學習情況，并提出下節課要解決的問題。整節課的教學，在教師引導下，學生充分運用了圖表這一學習工具，開展對“電離能及其變化規律”的知識建構，與此同時使培養了學生觀察圖表、提取與加工信息、歸納和整理等多種的綜合應用能力，有效地提升了學生的科學探究能力，為學生的終身發展奠定良好的基礎。
視頻來源：優質課網 www.m.fsyixinda.com
