8.4: イオン化エネルギー

基底状態の気体原子から最も緩く結合している電子を取り除くのに必要なエネルギーを第一イオン化エネルギー（IE₁）といいます。元素Xの第一イオン化エネルギーは、1+の電荷を持つ陽イオンを形成するのに必要なエネルギーです。

2番目にゆるく結合している電子を取り除くのに必要なエネルギーを第2イオン化エネルギー（IE₂ ）と呼びます。

3番目の電子を取り除くのに必要なエネルギーは、3番目のイオン化エネルギーであり、以下同様に続きます。原子やイオンから電子を取り除くには常にエネルギーが必要であるため、イオン化プロセスは吸熱性であり、IE値は常に正です。大きな原子では、最もゆるやかに結合している電子が原子核から離れたところにあるため、除去しやすくなります。したがって、サイズ（原子半径）が大きくなると、イオン化エネルギーは小さくなるはずです。

同一周期内では、IE₁はZの増加とともに一般的に増加し、族内では、IE₁値はZの増加とともに一般的に減少します。ホウ素（原子番号5）の核電荷はベリリウム（原子番号4）よりも1陽子大きいのに、イオン化エネルギーはベリリウムよりも小さいことに注目してください。これは、lが大きくなると、貫入性や遮蔽性のために小軌道のエネルギーが大きくなることから説明できます。1つの殻の中では、s電子の方がp電子よりもエネルギーが低いです。つまり、s電子は同じ殻のp電子よりも原子から取り除かれにくいということです。ベリリウム（[He]2s²）のイオン化で取り除かれる電子はs電子ですが、ホウ素（[He]2s²2p¹）のイオン化で取り除かれる電子はp電子です。このため、ホウ素は核電荷が陽子1個分大きいにもかかわらず、最初のイオン化エネルギーが小さくなります。このように、新しい小軌道が始まるたびに、予測された傾向から少しずつずれていくことがわかります。

また、軌道が半分以上埋まると、別のずれが生じます。周期的にIE₁値が増加する傾向にあるにもかかわらず、酸素の第一イオン化エネルギーは窒素のそれよりもわずかに小さいです。酸素の場合、電子を1つ取り除くと、2p軌道の電子のペアリングによる電子-電子間の反発がなくなり、半分埋まった軌道になります（エネルギー的には有利）。同様の変化が後続の周期にも起こります。

陽イオンから電子を除去することは、陽イオンへの静電引力が大きいため、中性原子から電子を除去するよりも難しいです。同様に、正の電荷が大きい陽イオンから電子を取り除くことは、電荷が小さいイオンから電子を取り除くことよりも困難です。このようにして、1つの元素のイオン化エネルギーは、連続して必ず大きくなります。表1に見られるように、各元素のイオン化エネルギーには大きな上昇が見られます。このジャンプは、価電子よりも取り除くのが難しい内殻電子が取り除かれたことに対応しています。例えば、ScとGaはともに3つの価電子を持っているので、イオン化エネルギーの急激な増加は、3回目のイオン化の後に起こります。

表 1 ：特定の元素の連続したイオン化エネルギー（ kJ/mol ）

このテキストは 、 OpenStax Chemistry 2e の第 6.5 章「元素特性の周期的な変化」に基づいています。