Энергия ионизации

Количество энергии, необходимое для удаления наиболее свободно связанных электронов из газообразного атома в его наземном состоянии, называется его первой энергией ионизации (IE1). Первая энергия ионизации для элемента X — это энергия, необходимая для образования катиона с более чем 1 зарядом:

Энергия, необходимая для удаления второго, наиболее слабо связанного электрона, называется второй энергией ионизации (IE2).

Энергия, необходимая для удаления третьего электрона, называется третьей энергией ионизации и так далее. Энергия всегда требуется для удаления электронов с атомов или ионов, поэтому процессы ионизации являются эндотермическими, а значения IE всегда положительны. Для более крупных атомов электрон с неплотным связом расположен дальше от ядра, и поэтому его легче удалить. Таким образом, по мере увеличения размера (атомного радиуса), энергия ионизации должна уменьшаться.  

В течение периода IE1 обычно увеличивается с увеличением Z. Down группы, значение IE1 обычно уменьшается с увеличением Z. однако, есть некоторые систематические отклонения от этой тенденции. Обратите внимание, что энергия ионизации бора (атомный номер 5) меньше энергии, чем у буйя (атомный номер 4), даже если ядерный заряд бора больше одним протонами. Это объясняется тем, что энергия подоболочек увеличивается по мере увеличения l, благодаря проникновению и экранированию. В любой оболочке электроны s меньше в энергии, чем электроны p. Это означает, что электрон с атомом труднее удалить, чем электрон p в одной оболочке. Электрон, удаляемый во время ионизации с2 ([HE]2s2), является электроном, тогда как электрон, удаляемый во время ионизации бора ([HE]2s22p1), является электроном p; это приводит к снижению первой энергии ионизации для бора, даже если его ядерный заряд больше одним протонами. Таким образом, мы видим небольшое отклонение от прогнозируемой тенденции, возникающей при каждом запуске новой подоболочки.

Другое отклонение возникает, когда орбит заполняется более чем наполовину. Первая энергия ионизации кислорода немного меньше энергии азота, несмотря на тенденцию увеличения значений IE1 за определенный период времени. Для кислорода удаление одного электрона устранит электронно-электронное отталкивание, вызванное сопряжением электронов на орбите 2р, и приведет к полузаполненной орбите (которая энергетически выгодна). Аналогичные изменения происходят в последующие периоды.

Удаление электрона из катиона более затруднительно, чем удаление электрона из нейтрального атома из-за большего электростатического притяжения к катионе. Кроме того, удаление электрона из катиона с более высоким положительным зарядом сложнее, чем удаление электрона из иона с более низким зарядом. Таким образом, последовательные энергии ионизации для одного элемента всегда увеличиваются. Как видно из таблицы 1, энергии ионизации для каждого элемента значительно увеличиваются. Этот скачок соответствует удалению электронов ядра, которые труднее удалить, чем электроны валентности. Например, SC и GA имеют три валентных электрона, поэтому быстрое увеличение энергии ионизации происходит после третьей ионизации.

Таблица 1: Последовательные энергии ионизации для выбранных элементов (кДж/моль)

Этот текст адаптирован из OpenStax Химия 2e, раздел 6.5: Периодические изменения свойств элемента.