Energia jonizacji

Ilość energii potrzebnej do usunięcia najluźniej związanego elektronu z atomu gazowego w jego stanie podstawowym nazywana jest jego pierwszą energią jonizacji (IE₁). Pierwsza energia jonizacji pierwiastka, X, to energia potrzebna do utworzenia kationu o ładunku 1+:

Energia potrzebna do usunięcia drugiego najbardziej luźno związanego elektronu nazywana jest drugą energią jonizacji (IE₂).

Energia potrzebna do usunięcia trzeciego elektronu to trzecia energia jonizacji i tak dalej. Energia jest zawsze potrzebna do usunięcia elektronów z atomów lub jonów, więc procesy jonizacji są endotermiczne, a wartości IE są zawsze dodatnie. W przypadku większych atomów najluźniej związany elektron znajduje się dalej od jądra, a więc jest łatwiejszy do usunięcia. Tak więc, wraz ze wzrostem rozmiaru (promienia atomowego), energia jonizacji powinna się zmniejszać. 

W pewnym okresie IE₁ na ogół wzrasta wraz ze wzrostem Z. W dół grupy wartość IE₁ na ogół maleje wraz ze wzrostem Z. Istnieją jednak pewne systematyczne odchylenia od tego trendu. Zauważ, że energia jonizacji boru (liczba atomowa 5) jest mniejsza niż berylu (liczba atomowa 4), mimo że ładunek jądrowy boru jest większy o jeden proton. Można to wytłumaczyć tym, że energia podpowłok wzrasta wraz ze wzrostem l, ze względu na penetrację i ekranowanie. W dowolnej powłoce elektrony s mają niższą energię niż elektrony p. Oznacza to, że elektron s jest trudniejszy do usunięcia z atomu niż elektron p w tej samej powłoce. Elektron usunięty podczas jonizacji berylu ([He]2s²) jest elektronem s, podczas gdy elektron usunięty podczas jonizacji boru ([He]2s²p¹) jest elektronem p; Powoduje to niższą energię pierwszej jonizacji boru, mimo że jego ładunek jądrowy jest większy o jeden proton. W związku z tym widzimy niewielkie odchylenie od przewidywanego trendu występujące za każdym razem, gdy rozpoczyna się nowa podpowłoka.

Kolejne odchylenie występuje, gdy orbitale wypełniają się w więcej niż połowie. Pierwsza energia jonizacji dla tlenu jest nieco mniejsza niż dla azotu, pomimo tendencji do wzrostu wartości IE₁ w pewnym okresie. W przypadku tlenu usunięcie jednego elektronu wyeliminuje odpychanie elektron-elektron spowodowane parowaniem elektronów na orbicie 2p i spowoduje wypełnienie orbitalu w połowie (co jest korzystne energetycznie). Analogiczne zmiany zachodzą w kolejnych okresach.

Usunięcie elektronu z kationu jest trudniejsze niż usunięcie elektronu z neutralnego atomu ze względu na większe przyciąganie elektrostatyczne do kationu. Podobnie usunięcie elektronu z kationu o wyższym ładunku dodatnim jest trudniejsze niż usunięcie elektronu z jonu o niższym ładunku. W ten sposób kolejne energie jonizacji dla jednego pierwiastka zawsze rosną. Jak widać w tabeli 1, dla każdego pierwiastka następuje duży wzrost energii jonizacji. Skok ten odpowiada usunięciu elektronów rdzenia, które są trudniejsze do usunięcia niż elektrony walencyjne. Na przykład Sc i Ga mają po trzy elektrony walencyjne, więc szybki wzrost energii jonizacji następuje po trzeciej jonizacji.

Tabela 1: Kolejne energie jonizacji dla wybranych pierwiastków (kJ/mol)

Ten tekst został zaadaptowany z OpenStax Chemistry 2e, Sekcja 6.5: Okresowe zmiany właściwości pierwiastków.