Енергија јонизације

С Википедије, слободне енциклопедије

Трендови енергије јонизације приказани су као функција атомског броја. Енергија јонизације постепено се повећава од алкалних метала до племенитих гасова. Максимална енергија јонизације такође се смањује од првог до последњег реда у датој колони, због све веће удаљености валентне електронске љуске од језгра.

Енергија јонизације (Ei) је најмања количина енергије коју је потребно довести једном атому неког елемента да би он отпустио свој последњи, најслабије везани електрон са последњег електронског нивоа.[1][2][3] То се квантитативно изражава као:

X(g) + енергија ⟶ X+(g) + e

где је X било који атом или молекул, X+ је јон са једним уклоњеним електроном, и e је уклоњени електрон.[4] Оно је генерално ендотерман процес. По правилу, што су најудаљенији електрони ближе језгру атома, то је већа енергија јонизације атома.

Физичке и хемијске науке користе различите јединице за енергију јонизације.[5] У физици, јединица је количина енергије потребна за уклањање једног електрона из једног атома или молекула, изражена као електронволти. У хемији, јединица је количина енергије потребна да сви атоми у молу супстанце изгубе по један електрон: енергија моларне јонизације или приближно енталпија, изражена у килоџулима по молу (kJ/mol) или килокалоријама по молу.[6]

Енергија јонизације је веома важна мера реактивности одређеног елемента. Вредност енергије јонизације дуж групе опада, што се објашњава порастом пречника атома и последичним падом јачине привлачних електростатичких сила између валентног електрона и језгра.[7] Како су ове силе слабије, електрон се лакше отпушта, а побуђивање атома захтева мању количину енергије. Притом, прва енергија јонизације је најмања док је свака следећа значајно већа. У екстремним случајевима, друга енергија јонизације је и 1.000 пута већа од прве, као што је то случај код алкалних метала где се након прве јонизације постиже стабилна електронска конфигурација, са попуњеним октетом и јачим интраатомским силама између језгра и валентних електрона. Насупрот томе, енергија јонизације дуж периоде расте јер све већи број електрона у истом енергетском нивоу више интереагује са језгорoм и отежава отпуштање валентних електрона, тј потребно је довести све већу количину енергије да би се валентни електрон(и) отпусито и на тај начин постигао стабилну електронску конфигурацију.

Енергија јонизације n-тог реда се односи на количину енергије неопходне да се уклони електрон из честице наелектрисања (n-1). На пример, прве три енергије јонизације су дефинисане на следећи начин:

1. енергија јонизације је енергија која омогућава реакцију X ⟶ X+ + e
2. енергија јонизације је енергија која омогућава реакцију X+ ⟶ X2+ + e
3. енергија јонизације је енергија која омогућава реакцију X2+ ⟶ X3+ + e

Термин јонизациони потенцијал је старији и застарели појам[8] за енергију јонизације,[9] јер се најстарији метод мерења енергије јонизације заснивао на јонизовању узорка и убрзању електрона уклоњеног електростатичким потенцијалом.

Најзначајнији фактори који утичу на енергију јонизације укључују:

  • Електронска конфигурација: она објашњава енергију јонизације већине елемената, јер се све њихове хемијске и физичке карактеристике могу утврдити само одређивањем њихове одговарајуће електронске конфигурације.
  • Нуклеарно наелектрисање: ако је нуклеарни набој (атомски број) већи, језгро јаче држи електроне и отуда енергија јонизације постаје већа.
  • Број електронских омотача: ако је величина атома већа због присуства више љуски, језгро слабије држи електроне и енергија јонизације бива мања.
  • Ефективни нуклеарни набој (Zeff): ако су величине заштите и пенетрације електрона веће, језгро слабије држи електроне, Zeff електрона и енергијe јонизације су мањe.[10]
  • Тип јонизоване орбитале: атом стабилније електронске конфигурације има мању тенденцију да губи електроне и сходно томе има већу енергију јонизације.
  • Електронско заузеће: ако је највиша заузета орбитала двоструко попуњена, тада је лакше уклонити електрон.

Остали мањи фактори укључују:

  • Релативистички ефекти: они утичу на теже елементе (посебно на оне чији је атомски број већи од 70), јер се њихови електрони приближавају брзини светлости, те стога имају мањи атомски радијус/већу енергију јонизације.
  • Контракција лантаноида и актиноидаконтракција d-блока[11]): велико скупљање елемената утиче на енергију јонизације, јер се снажније осећа нето наелектрисање језгра.
  • Енергије електронског пара[12] и енергија размене: оне су применљиве само потпуно испуњене и допола испуњене орбитале.

Одређивање енергија јонизације[уреди | уреди извор]

Апарат за мерење енергије јонизације.

Енергија јонизације атома, означена као Ei, мери се[13] проналажењем минималне енергије светлосних кванта (фотона) или електрона убрзаних до познате енергије која ће избацити најслабије везане атомске електроне. Мерење се врши у гасној фази на појединачним атомима. Док се само племенити гасови јављају као моноатомски гасови, други гасови се могу поделити у појединачне атоме. Такође, многи чврсти елементи могу да се загреју и испаре у појединачне атоме. Моноатомска пара се уноси у претходно евакуисану цев која има две паралелне електроде повезане са извором напона. Јонизујућа побуда се уводи кроз зидове цеви или се производи унутар ње.

Када се користи ултраљубичасто светло, таласна дужина се помера низ ултраљубичасто подручје. На одређеној таласној дужини (λ) и фреквенцији светлости (ν=c/λ, при чему је c брзина светлости), светлосни кванти, чија је енергија пропорционална фреквенцији, имаће енергију довољно високу да истисну најслабије везане електроне. Ови електрони ће бити привучени позитивном електродом, а позитивни јони преостали након фотојонизације бивају привучени негативно наелектрисаном електродом. Ови електрони и јони успостављају струју кроз цев. Енергија јонизације је енергија фотона i (h је Планкова константа) која је изазвала нагли пораст струје: Ei=i.

Када се електрони велике брзине користе за јонизацију атома, они се производе електронским пиштољем унутар сличне евакуисане цеви. Енергијом снопа електрона може се управљати убрзањем напона. Енергија ових електрона која доводи до наглог почетка струје од јона и ослобођених електрона кроз цев поклапа се са енергијом јонизације атома.

Вредности и трендови[уреди | уреди извор]

Генерално, (n+1)-та енергија јонизације одређеног елемента већа је од n-те енергије јонизације. Када следећа енергија јонизације укључује уклањање електрона из исте електронске љуске, повећање енергије јонизације је првенствено узроковано повећањем нето наелектрисања јона из којег се електрон уклања. Електрони уклоњени из високо наелектрисаних јона доживљавају веће силе електростатичког привлачења; стога њихово уклањање захтева више енергије. Поред тога, када следећа енергија јонизације укључује уклањање електрона из доње електронске љуске, знатно смањено растојање између језгра и електрона такође повећава и електростатичку силу и растојање преко којег се та сила мора превазићи да би се електрон уклонио. Оба ова фактора додатно повећавају енергију јонизације.

Енергије јонизације достижу врхунац у племенитим гасовима на крају сваке периоде у периодном систему елемената, и по правилу, падају када нова орбитала почиње да се попуњава.

Неке од вредности за елементе треће периоде дате су у следећој табели:

Сукцесивне вредности енергије јонизације / kJ/mol−1
(96,485 kJ/mol ≡ 1 eV)
Елемент Први Други Трећи Четврти Пети Шести Седми
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

Велики прескоци у узастопним моларним енергијама јонизације настају приликом проласка конфигурације племенитог гаса. На пример, као што се може видети у горњој табели, прве две моларне енергије јонизације магнезијума (уклањањем два 3s електрона са атома магнезијума) су много мање од треће, која захтева уклањање 2p електрона са неонске конфигурације Mg2+. Тај електрон је много ближи језгру од претходно уклоњеног 3s електрона.

Енергија јонизације је такође периодични тренд у периодном систему. Померајући се с лева надесно унутар дате периоде, или навише унутар групе, прва енергија јонизације се генерално повећава,[14] са изузетцима као што су алуминијум и сумпор у горњој табели. Како се нуклеарни набој језгра повећава дуж периоде, електронска заштита остаје константна, те се отуда атомски радијус смањује, а електронски облак постаје ближи језгру,[15] јер се електрони, нарочито они најудаљенији, чвршће држе већег ефективног нуклеарног наелектрисање. Слично томе при кретању навише унутар дате групе, електрони се држе у нижим енергетским орбиталама, ближе језгру и стога су чвршће повезани.[16]

Референце[уреди | уреди извор]

  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 на датум 24. 07. 2020. 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 на датум 11. 10. 2018. 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[уреди | уреди извор]