Energija jonizacije

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

Trendovi energije jonizacije prikazani su kao funkcija atomskog broja. Energija jonizacije postepeno se povećava od alkalnih metala do plemenitih gasova. Maksimalna energija jonizacije takođe se smanjuje od prvog do poslednjeg reda u datoj koloni, zbog sve veće udaljenosti valentne elektronske ljuske od jezgra.

Energija jonizacije (Ei) je najmanja količina energije koju je potrebno dovesti jednom atomu nekog elementa da bi on otpustio svoj poslednji, najslabije vezani elektron sa poslednjeg elektronskog nivoa.[1][2][3] To se kvantitativno izražava kao:

X(g) + energija ⟶ X+(g) + e−

gde je X bilo koji atom ili molekul, X+ je jon sa jednim uklonjenim elektronom, i e− je uklonjeni elektron.[4] Ono je generalno endoterman proces. Po pravilu, što su najudaljeniji elektroni bliže jezgru atoma, to je veća energija jonizacije atoma.

Fizičke i hemijske nauke koriste različite jedinice za energiju jonizacije.[5] U fizici, jedinica je količina energije potrebna za uklanjanje jednog elektrona iz jednog atoma ili molekula, izražena kao elektronvolti. U hemiji, jedinica je količina energije potrebna da svi atomi u molu supstance izgube po jedan elektron: energija molarne jonizacije ili približno entalpija, izražena u kilodžulima po molu (kJ/mol) ili kilokalorijama po molu.[6]

Energija jonizacije je veoma važna mera reaktivnosti određenog elementa. Vrednost energije jonizacije duž grupe opada, što se objašnjava porastom prečnika atoma i posledičnim padom jačine privlačnih elektrostatičkih sila između valentnog elektrona i jezgra.[7] Kako su ove sile slabije, elektron se lakše otpušta, a pobuđivanje atoma zahteva manju količinu energije. Pritom, prva energija jonizacije je najmanja dok je svaka sledeća značajno veća. U ekstremnim slučajevima, druga energija jonizacije je i 1.000 puta veća od prve, kao što je to slučaj kod alkalnih metala gde se nakon prve jonizacije postiže stabilna elektronska konfiguracija, sa popunjenim oktetom i jačim intraatomskim silama između jezgra i valentnih elektrona. Nasuprot tome, energija jonizacije duž periode raste jer sve veći broj elektrona u istom energetskom nivou više intereaguje sa jezgorom i otežava otpuštanje valentnih elektrona, tj potrebno je dovesti sve veću količinu energije da bi se valentni elektron(i) otpusito i na taj način postigao stabilnu elektronsku konfiguraciju.

Energija jonizacije n-tog reda se odnosi na količinu energije neophodne da se ukloni elektron iz čestice naelektrisanja (n-1). Na primer, prve tri energije jonizacije su definisane na sledeći način:

1. energija jonizacije je energija koja omogućava reakciju X ⟶ X+ + e−
2. energija jonizacije je energija koja omogućava reakciju X+ ⟶ X2+ + e−
3. energija jonizacije je energija koja omogućava reakciju X2+ ⟶ X3+ + e−

Termin jonizacioni potencijal je stariji i zastareli pojam[8] za energiju jonizacije,[9] jer se najstariji metod merenja energije jonizacije zasnivao na jonizovanju uzorka i ubrzanju elektrona uklonjenog elektrostatičkim potencijalom.

Najznačajniji faktori koji utiču na energiju jonizacije uključuju:

  • Elektronska konfiguracija: ona objašnjava energiju jonizacije većine elemenata, jer se sve njihove hemijske i fizičke karakteristike mogu utvrditi samo određivanjem njihove odgovarajuće elektronske konfiguracije.
  • Nuklearno naelektrisanje: ako je nuklearni naboj (atomski broj) veći, jezgro jače drži elektrone i otuda energija jonizacije postaje veća.
  • Broj elektronskih omotača: ako je veličina atoma veća zbog prisustva više ljuski, jezgro slabije drži elektrone i energija jonizacije biva manja.
  • Efektivni nuklearni naboj (Zeff): ako su veličine zaštite i penetracije elektrona veće, jezgro slabije drži elektrone, Zeff elektrona i energije jonizacije su manje.[10]
  • Tip jonizovane orbitale: atom stabilnije elektronske konfiguracije ima manju tendenciju da gubi elektrone i shodno tome ima veću energiju jonizacije.
  • Elektronsko zauzeće: ako je najviša zauzeta orbitala dvostruko popunjena, tada je lakše ukloniti elektron.

Ostali manji faktori uključuju:

  • Relativistički efekti: oni utiču na teže elemente (posebno na one čiji je atomski broj veći od 70), jer se njihovi elektroni približavaju brzini svetlosti, te stoga imaju manji atomski radijus/veću energiju jonizacije.
  • Kontrakcija lantanoida i aktinoida (i kontrakcija d-bloka[11]): veliko skupljanje elemenata utiče na energiju jonizacije, jer se snažnije oseća neto naelektrisanje jezgra.
  • Energije elektronskog para[12] i energija razmene: one su primenljive samo potpuno ispunjene i dopola ispunjene orbitale.

Određivanje energija jonizacije[uredi | uredi izvor]

Aparat za merenje energije jonizacije.

Energija jonizacije atoma, označena kao Ei, meri se[13] pronalaženjem minimalne energije svetlosnih kvanta (fotona) ili elektrona ubrzanih do poznate energije koja će izbaciti najslabije vezane atomske elektrone. Merenje se vrši u gasnoj fazi na pojedinačnim atomima. Dok se samo plemeniti gasovi javljaju kao monoatomski gasovi, drugi gasovi se mogu podeliti u pojedinačne atome. Takođe, mnogi čvrsti elementi mogu da se zagreju i ispare u pojedinačne atome. Monoatomska para se unosi u prethodno evakuisanu cev koja ima dve paralelne elektrode povezane sa izvorom napona. Jonizujuća pobuda se uvodi kroz zidove cevi ili se proizvodi unutar nje.

Kada se koristi ultraljubičasto svetlo, talasna dužina se pomera niz ultraljubičasto područje. Na određenoj talasnoj dužini (λ) i frekvenciji svetlosti (ν=c/λ, pri čemu je c brzina svetlosti), svetlosni kvanti, čija je energija proporcionalna frekvenciji, imaće energiju dovoljno visoku da istisnu najslabije vezane elektrone. Ovi elektroni će biti privučeni pozitivnom elektrodom, a pozitivni joni preostali nakon fotojonizacije bivaju privučeni negativno naelektrisanom elektrodom. Ovi elektroni i joni uspostavljaju struju kroz cev. Energija jonizacije je energija fotona hνi (h je Plankova konstanta) koja je izazvala nagli porast struje: Ei=hνi.

Kada se elektroni velike brzine koriste za jonizaciju atoma, oni se proizvode elektronskim pištoljem unutar slične evakuisane cevi. Energijom snopa elektrona može se upravljati ubrzanjem napona. Energija ovih elektrona koja dovodi do naglog početka struje od jona i oslobođenih elektrona kroz cev poklapa se sa energijom jonizacije atoma.

Vrednosti i trendovi[uredi | uredi izvor]

Generalno, (n+1)-ta energija jonizacije određenog elementa veća je od n-te energije jonizacije. Kada sledeća energija jonizacije uključuje uklanjanje elektrona iz iste elektronske ljuske, povećanje energije jonizacije je prvenstveno uzrokovano povećanjem neto naelektrisanja jona iz kojeg se elektron uklanja. Elektroni uklonjeni iz visoko naelektrisanih jona doživljavaju veće sile elektrostatičkog privlačenja; stoga njihovo uklanjanje zahteva više energije. Pored toga, kada sledeća energija jonizacije uključuje uklanjanje elektrona iz donje elektronske ljuske, znatno smanjeno rastojanje između jezgra i elektrona takođe povećava i elektrostatičku silu i rastojanje preko kojeg se ta sila mora prevazići da bi se elektron uklonio. Oba ova faktora dodatno povećavaju energiju jonizacije.

Energije jonizacije dostižu vrhunac u plemenitim gasovima na kraju svake periode u periodnom sistemu elemenata, i po pravilu, padaju kada nova orbitala počinje da se popunjava.

Neke od vrednosti za elemente treće periode date su u sledećoj tabeli:

Sukcesivne vrednosti energije jonizacije / kJ/mol−1
(96,485 kJ/mol ≡ 1 eV)
Element Prvi Drugi Treći Četvrti Peti Šesti Sedmi
Na 496 4.560
Mg 738 1.450 7.730
Al 577 1.816 2.881 11.600
Si 786 1.577 3.228 4.354 16.100
P 1.060 1.890 2.905 4.950 6.270 21.200
S 1.000 2.295 3.375 4.565 6.950 8.490 27.107
Cl 1.256 2.260 3.850 5.160 6.560 9.360 11.000
Ar 1.520 2.665 3.945 5.770 7.230 8.780 12.000

Veliki preskoci u uzastopnim molarnim energijama jonizacije nastaju prilikom prolaska konfiguracije plemenitog gasa. Na primer, kao što se može videti u gornjoj tabeli, prve dve molarne energije jonizacije magnezijuma (uklanjanjem dva 3s elektrona sa atoma magnezijuma) su mnogo manje od treće, koja zahteva uklanjanje 2p elektrona sa neonske konfiguracije Mg2+. Taj elektron je mnogo bliži jezgru od prethodno uklonjenog 3s elektrona.

Energija jonizacije je takođe periodični trend u periodnom sistemu. Pomerajući se s leva nadesno unutar date periode, ili naviše unutar grupe, prva energija jonizacije se generalno povećava,[14] sa izuzetcima kao što su aluminijum i sumpor u gornjoj tabeli. Kako se nuklearni naboj jezgra povećava duž periode, elektronska zaštita ostaje konstantna, te se otuda atomski radijus smanjuje, a elektronski oblak postaje bliži jezgru,[15] jer se elektroni, naročito oni najudaljeniji, čvršće drže većeg efektivnog nuklearnog naelektrisanje. Slično tome pri kretanju naviše unutar date grupe, elektroni se drže u nižim energetskim orbitalama, bliže jezgru i stoga su čvršće povezani.[16]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Brady, J.E., Holum, J.R.,Chemistry. . John Wiley & Sons. 1993. ISBN 978-0-471-59979-1. 
  2. ^ Peter Atkins; Julio de Paula (2001). Physical Chemistry (7th изд.). W. H. Freeman. ISBN 0716735393. 
  3. ^ „Periodic Trends”. Chemistry LibreTexts (на језику: енглески). 2013-10-02. Приступљено 2020-09-13. 
  4. ^ Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. (1999). Inorganic Chemistry (2nd изд.). Prentice Hall. стр. 41. ISBN 0-13-841891-8. 
  5. ^ „Ionization energy”. britannica.com. The Editors of Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica. 29. 5. 2020. Приступљено 3. 11. 2020. 
  6. ^ „Ionization Energy”. ChemWiki. University of California, Davis. 2013-10-02. 
  7. ^ „Chapter 9: Quantum Mechanics”. faculty.chem.queesu.ca (на језику: енглески). 15. 1. 2018. Архивирано из оригинала 24. 07. 2020. г. Приступљено 31. 10. 2020. 
  8. ^ „IUPAC - ionization potential (I03208)”. goldbook.iupac.org. Приступљено 2020-09-13. 
  9. ^ Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey (1988). Advanced Inorganic Chemistry (5th изд.). John Wiley. стр. 1381. ISBN 0-471-84997-9. 
  10. ^ Lang, Peter F.; Smith, Barry C. (2003). „Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions”. Journal of Chemical Education (на језику: енглески). 80 (8): 938. Bibcode:2003JChEd..80..938L. doi:10.1021/ed080p938. 
  11. ^ „Lanthanide Contraction- D Block Contraction (Scandide Contraction)”. chem.libretexts.org. Chemistry Libretexts. 22. 8. 2020. Приступљено 6. 12. 2020. „The d block contraction, also known as the Scandide Contraction, describes the atomic radius trend that the d block elements (Transition metals) experience.” 
  12. ^ Electron pair energies
  13. ^ Mahan, Bruce H. (1962). „Ionization Energy”. College of Chemistry, University of California Berkeley. Приступљено 2020-09-13. 
  14. ^ Stone, E.G. (19. 12. 2020). „Atomic Structure : Periodic Trends”. Department of Chemistry. chem.tamu.edu (на језику: енглески). 400 Bizzell St, College Station, TX 77843, Texas, United States: Texas A&M University. Архивирано из оригинала 11. 10. 2018. г. Приступљено 19. 12. 2020. 
  15. ^ „Anomalous trends in ionization energy”. Chemistry Stack Exchange. Приступљено 2020-09-20. 
  16. ^ „Ionization Energy | Introduction to Chemistry”. courses.lumenlearning.com. Приступљено 2020-09-13. 

Литература[uredi | uredi izvor]

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Енергија_јонизације&oldid=27549152”