8.4: 电离能

从处于基态的气态原子中除去最松散结合的电子所需的能量称为其第一电离能（ IE ₁ ）。元素的第一电离能X是形成具有1+电荷的阳离子所需的能量：

除去第二个最松散结合的电子所需的能量称为第二电离能（ IE ₂ ）。

去除第三电子所需的能量是第三电离能，依此类推。始终需要能量才能从原子或离子中除去电子，因此电离过程是吸热的， IE 值始终为正。对于较大的原子，结合最松散的电子位于离原子核较远的位置，因此更易于除去。因此，随着尺寸（原子半径）的增加，电离能应减小。

在一段时间内， IE ₁ 通常随 Z 的增加而增加。在一组中， IE ₁ 值通常随着 Z 的增加而减小。但是，这种趋势存在一些系统性的偏差。请注意，即使硼的核电荷多一个质子，硼的电离能（原子序数5）也比铍的电离能（原子序数4）小。可以解释这是因为由于渗透和屏蔽作用，子壳的能量随 l 的增加而增加。在任何一个壳层中， s 电子的能量都低于 p 电子。这意味着 s 电子比同一壳中的 p 电子更难从原子中去除。铍离子化过程中去除的电子（[He] 2 s ² ）是 s 电子，而铍离子化过程中去除的电子硼（[He] 2 s ² 2 p ¹ ）是 p 电子;即使硼的核电荷比一个质子大，这也会降低硼的第一电离能。因此，每次新的子弹开始时，我们都会发现与预测趋势的偏差很小。

随着轨道的填充量超过一半，会发生另一个偏差。尽管一段时间内 IE ₁ 值都有增加的趋势，但氧的第一电离能略小于氮的电离能。对于氧来说，除去一个电子将消除由2 p 轨道中的电子配对引起的电子-电子排斥，并将导致半填充轨道（在能量上有利）。在随后的时期中发生类似的变化。

表1：选定元素的连续电离能（kJ / mol）

此文本改编自 OpenStax 化学2e，第6.5节：元素属性的周期性变化。

原子和离子的化学行为在 很大程度上取决于去除其电子，特别是参与化学键 形成的最外层电子 的难易程度。从基态的气态原子中 除去电子所需的能量称 为第一电离能，单位为千焦耳/摩尔。去除下一个电子所需的能 量称为第二电离能，依此类推。向下移动色谱柱，电离能降低。回想价电子的最高主量 子数沿列向下增加，从而导致更大的原子尺寸。因此，最外层的电子越远，它们越容易被去除。对于主族元素，电离能在整个週期内增加。原因在于原子序数的增加，其中价电子具有更高的有效核电荷，这使得最外层电子的去除更加困难。这就解释了为什麽氯具 有比钠高的电离能。通常，电离能对于硷金属是最小的，并且对于每种稀有气体都上升到峰值。过渡金属在这段时间内 的电离能略有增加，而f族元素的变化甚至更小。但是有一些例外情况需要考虑。硼的电离能比铍小，即使在元素周期表的右侧更远。铍具有较低的2s电子能量，而硼具有较高的2p电子能量，使其能量去除更为有利。另一个例外是氧气，它的第一电离能比氮气低。与氮相比，氧具有4个p电子，除去一个电子可消除电子排斥。除去一个电子可消 除电子排斥。因此，电离所需的能量更少。在随后的时期中也观察到这些例外。从阳离子去除电子比从中性 原子去除电子更困难。通常，元素的连续电 离能增加。考虑钾。第二电离能明显更高，因为它涉及从具有稀有气体构 型的离子中除去核心电子。类似地，对于钙，随着从惰性气体构型的阳离子 中除去核心电子，从第二电离能到第 三电离能都有很高的增加。