Энергия ионизации

На химическое поведение атомов и ионов сильно влияет то, насколько легко или сложно оторвать их электроны, особенно самые удаленные электроны, которые участвуют в образовании химических связей. Энергия, необходимая для отрыва электрона от газового атома в его основном состоянии, называется первой энергией ионизации и выражается в килоджоулях на моль. Энергия, необходимая для отрыва следующего электрона, называется второй энергией ионизации и так далее.

При движении вниз по столбцу энергии ионизации уменьшаются. Напомним, что максимальное главное квантовое число валентных электронов увеличивается вниз по столбцу, что приводит к увеличению размеров атомов. Таким образом, чем дальше находятся внешние электроны, тем легче их оторвать.

Для элементов основной группы энергия ионизации в периоде увеличивается. Причина кроется в увеличивающемся атомном номере, где валентные электроны воспринимают более высокий эффективный заряд ядра, что затрудняет отрыв самых удаленных электронов. Это объясняет, почему хлор имеет более высокую энергию ионизации, чем, например, натрий.

Как правило, энергия ионизации минимальна для щелочного металла и достигает максимума к благородному газу. Переходные металлы демонстрируют небольшое увеличение энергии ионизации в периоде, а элементы f-блока демонстрируют еще меньшее изменение. Но есть некоторые исключения.

Бор имеет меньшую энергию ионизации, чем бериллий, хотя в периодической таблице он находится правее. Бериллий имеет более низкую энергию 2s электронов, тогда как бор имеет более высокую энергию 2p электронов, что делает его отрыв энергетически более выгодным. Другое исключение кислород, у которого первая энергия ионизации ниже, чем у азота.

По сравнению с азотом, кислород имеет четыре p-электрона, и отрыв одного электрона устраняет электрон-электронное отталкивание. Таким образом, для ионизации требуется меньше энергии. Эти исключения наблюдаются и в последующих периодах.

Отрыв электронов у катионов сложнее, чем у нейтральных атомов. Как правило, последовательные энергии ионизации элементов увеличиваются. Рассмотрим калий.

Вторая энергия ионизации значительно выше, так как она включает отрыв остовного электрона у иона с конфигурацией благородного газа. Аналогичным образом, для кальция наблюдается значительное увеличение третьей энергии ионизации по сравнению со второй, поскольку остовный электрон отрывается у катиона с конфигурацией благородного газа.