1.2: Фундаментальні властивості - енергія іонізації

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18082

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Енергія іонізації (IE), або правильніше іонізаційна ентальпія, визначається як енергія, необхідна для позбавлення електрона від газоподібного атома або іона.

\[M^{n+}_{(g)} \rightarrow M^{(n+1)+}_{(g)} + e^-\]

Кожна наступна енергія іонізації більше попередньої через збільшення заряду на іоні. Наприклад, для будь-якого даного атома або іона 1-я енергія іонізації менше 2-ї енергії іонізації і так далі. Це показано в таблиці\(\PageIndex{1}\) .1.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) .1: Перші три енергії іонізації для алюмінію.
Іонізація	Енергія іонізації (кДж/моль)
\[Al^0 \rightarrow Al^+ + e^-\]	548
\[Al^+ \rightarrow Al^{2+} + e^-\]	1823
\[Al^{2+} \rightarrow Al^{3+} + e^-\]	2751

Як змінюється енергія іонізації з елементами таблиці Менделєєва? Якщо розглядати ^1-й потенціал іонізації елементів певної групи таблиці Менделєєва, то зауважимо, що відбувається зниження потенціалу іонізації при зниженні Групи. Причина такої тенденції обумовлена підвищеним екрануванням електронів зовнішньої оболонки (ns ¹) завершеними (заповненими) внутрішніми оболонками. Таким чином, електрон ns ¹ демонструє більш низький ефективний ядерний заряд і полегшує його видалення. Наприклад, в таблиці\(\PageIndex{1}\) .2 показаний ^1-й потенціал іонізації для лужних металів групи 1.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) .2: Варіація першого потенціалу іонізації (M0 → M+) для елементів групи 1 (IA).
Елемент	Енергія іонізації (кДж/моль)
Лі	526
Na	502
К	425
Рб	409
Cs	382

На відміну від окремих груп, переміщення через певний Період призводить до загального збільшення потенціалу іонізації, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) .1. Відсутність додаткового скринінгу заповнених оболонок протягом періоду означає, що енергія іонізації електронів зовнішньої оболонки переважає збільшення ядерного заряду (кількості протонів) з підвищеним атомним номером.

Малюнок <проліт перевести = — Рисунок\(\PageIndex{1}\): Графік першого потенціалу іонізації для елементів Li до Ne.

З малюнка\(\PageIndex{1}\) .1 видно, що Періодична тенденція не лінійна, в сюжеті є значні кроки. Наприклад, бор має менший перший потенціал іонізації, ніж берилій, чому? Розгляд електронної конфігурації для елементів наведено у відповіді (рис.\(\PageIndex{1}\) 2). Берилій має конфігурацію зовнішньої оболонки 2s ², тоді як бор має конфігурацію 2s ² 2p ¹. Електрон 2p ¹ легко видалити, оскільки він демонструє підвищене екранування від ядра завдяки заповненій орбіталі 2s.

У міру переходу від бору до азоту оболонка 2р заповнюється (рис\(\PageIndex{1}\). 2) без додаткового екранування і домінує ефект підвищеного ядерного заряду. Нарешті, конфігурація 2p ⁴ для кисню (рис\(\PageIndex{1}\). 2) призводить до появи електронної пари, які відштовхують один одного, тим самим полегшуючи видалення електрона (нижчого потенціалу іонізації), який очікувався від підвищеного ядерного заряду. З малюнка\(\PageIndex{1}\) ми бачимо, що ефект сполучення електронів менший, ніж у заповненої оболонки.

Тенденція для ^2-го потенціалу іонізації аналогічна, але відрізняється від потенціалу ^1-го іонізації. Як видно на малюнку\(\PageIndex{1}\) .3 кроки, що спостерігаються для ^1-го графіка енергії іонізації (тобто між BE/B і N/O) перемістили один елемент вправо. Перегляд конфігурації електронів для іонів Е ⁺ (рис.\(\PageIndex{1}\) 4) показує, що раціональне для тенденції в 1-му потенціалі ^{іонізації} тенденцій все ще застосовується, але до іона елемента праворуч у таблиці Менделєєва. Тепер B+має конфігурацію зовнішньої оболонки 2s ², тоді як C ⁺ має конфігурацію 2s ² 2p ¹. Подібний сюжет на ^3-ю енергію іонізації змістив би сходинки іншим елементом вправо.

Інше спостереження, яке слід зробити з малюнка\(\PageIndex{1}\) .3, - це дуже великий ^2-й потенціал іонізації літію, пов'язаний з іонізацією Li ⁺ до Li ² ⁺. Велике збільшення відбувається за рахунок видалення електрона із заповненої оболонки 1с ².