طاقة التأيّن

إن كمية الطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون الأقلّ تقيّداً من ذرة في حالتها الغازية في حالته الأرضية تسمّى بطاقة التأين الأولى (IE₁).إن طاقة التأين الأولى لعنصر، X، هي الطاقة المطلوبة لتكوين كاتيون بشحنة +1:

تسمى الطاقة المطلوبة لإزالة ثاني إلكترون أقل تقيّداً بطاقة التأين الثانية (IE2).

إن الطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون الثالث هي طاقة التأين الثالثة، وهكذا دواليك. إن الطاقة مطلوبة دائماً لإزالة الإلكترونات من الذرات أو الأيونات، لذا فإن عمليات التأين ماصة للحرارة وقيم IE تكون دائماً موجبة. بالنسبة للذرات الأكبر، يقع الإلكترون الأقل تقيداً بعيداً عن النواة، لذا فمن الأسهل إزالته. وبالتالي، مع زيادة الحجم (نصف القطر الذري)، ينبغي أن تقل طاقة التأين.  

وفي مجموعة دورية، يزداد IE₁ بشكل عام مع زيادة Z. بالنزول في المجموعة، قيمة IE₁ بشكل عام تقل مع زيادة Z. وهناك بعض الانحرافات المنهجية عن هذه النزعة. لاحظ أن طاقة التأين للبورون (العدد الذري 5) أقل من طاقة البريليوم (العدد الذري 4) على الرغم من أن الشحنة النووية للبورون أكبر ببروتون واحد. يمكن تفسير ذلك لأن طاقة الحاويات الفرعية تزداد بزيادة l، بسبب الاختراق والدروع. في أي غلاف، تكون إلكترونات s أقل في الطاقة من إلكترونات p. وهذا يعني أن الإلكترون s أصعب في إزالته من الذرة من الإلكترون p في نفس الغلاف الواقي. إن الإلكترون الذي يتم إزالته أثناء تأين البريليوم ([He]2s²) هو إلكترون s، بينما الإلكترون الذي تمت إزالته أثناء تأين البورون ([He]2s²2p¹) هو إلكترون p؛ وينتج عن ذلك انخفاض طاقة التأين الأولى للبورون، على الرغم من أن شحنه النووي أكبر بواسطة بروتون واحد. وعلى هذا فإننا نشهد انحرافاً طفيفاً عن الاتجاه المتوقع في كل مرة يبدأ فيها غلاف فرعي جديد.

يحدث انحراف آخر عندما تصبح المدارات ممتلئة بأكثر من نصف. طاقة التأين الأولى للأكسجين أقل قليلاً من تلك بالنسبة للنيتروجين، على الرغم من النزعة في زيادة قيم IE₁ عبر مجموعة دورية. بالنسبة إلى الأكسجين، فإن إزالة إلكترون واحد سوف يزيل التنافر الإلكتروني الناتج عن اقتران الإلكترونات في المدار 2p وينتج عنه مستوى نصف مملوء (والذي يكون مفضّلاً بالنسبة للطاقة). وتحدث تغيرات مماثلة في الفترات التالية.

إن إزالة الإلكترون من عملية الأيون أصعب من إزالة إلكترون من ذرة محايدة بسبب الجاذبية الكهروستاتيكية الأكبر للإلكترونات. وعلى نحو مماثل، فإن إزالة إلكترون من كاتيون ما بشحنة موجبة أعلى أصعب من إزالة إلكترون من أيون بشحنة أقل. وبالتالي فإن طاقات التأين المتعاقبة لعنصر واحد تتزايد دوماً. وكما يتبين من الجدول 1، هناك زيادة كبيرة في طاقات التأين لكل عنصر. وتتوافق هذه القفزة مع إزالة الإلكترونات الأساسية، والتي يصعب إزالتها من إلكترونات التكافؤ. على سبيل المثال، لكلٍّ من Sc وGa ثلاثة إلكترونات تكافؤ، لذا فإن الزيادة السريعة في طاقة التأين تحدث بعد التأين الثالث.

الجدول 1: طاقات تأين متعاقبة لعناصر مختارة (كيلوجول/مول)

هذا النص مقتبس من OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.