Back to chapter

8.4:

אנרגיית יינון

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Ionization Energy

Languages

Share

ההתנהגות הכימית של אטומים ויונים מושפעת מאוד מהקלות או הקושי שלהם לגרוע אלקטרונים, במיוחד האלקטרונים החיצוניים ביותר, המשתתפים ביצירת קשר כימי. האנרגיה הנדרשת לגריעת אלקטרון מאטום גזי במצבו היסודי נקראת אנרגיית היינון הראשונה”ונמדדת בקילוג’ול למול. האנרגיה הנדרשת לגריעת האלקטרון הבא נקראת אנרגיית היינון השנייה, וכן הלאה.ככל שיורדים בעמודה, אנרגיות היינון פוחתות. נזכיר כי המספר הקוונטי היסודי של אלקטרוני ערכיות גדל ככל שיורדים בעמודה, והמשמעות היא אטומים גדולים יותר. לכן, ככל שהאלקטרונים רחוקים יותר, כך קל יותר לגרוע אותם.ביסודות הקבוצה המרכזית, אנרגיית היינון עולה לרוחב הטבלה. הסיבה נעוצה במספר האטומי ההולך וגדל. ככל שאלקטרוני ערכיות חווים מטען גרעיני אפקטיבי גבוה יותר, גריעת האלקטרונים החיצוניים נעשית קשה יותר.זה מסביר מדוע לכלור יש אנרגיית יינון גבוה יותר מאשר לנתרן, לדוגמה. באופן כללי, אנרגיית יינון היא מינימלית בקרב מתכות אלקליות ועולה לשיא עם כל גז אצילי. מתכות מעבר מפגינות עלייה קטנה באנרגיית היינון לרוחב הטבלה, ויסודות בלוק f מפגינים שינוי קטן אף יותר.אבל יש כמה יוצאים מהכלל. לבורון אנרגיית יינון קטנה יותר מאשר לבריליום, למרות שהוא רחוק יותר ימינה בטבלה המחזורית. לבריליום אלקטרוני 2s בעלי אנרגיה נמוכה יותר, ואילו לבורון יש אלקטרון 2p בעלי אנרגיה גבוהה יותר, מה שמקל על גריעתו, מבחינה אנרגטית.חריג נוסף הוא חמצן, שיש לו אנרגיית יינון ראשונה נמוכה יותר מחנקן. בהשוואה לחנקן, לחמצן יש ארבעה אלקטרוני p, וגריעת אלקטרון אחד מבטלת את דחיית האלקטרון לאלקטרון. לכן נדרשת פחות אנרגיה לתהליך היינון.חריגים אלה נצפים גם במחזורי המשך. גריעת אלקטרונים מקטיונים היא קשה יותר מאשר מאטומים ניטרליים. באופן כללי, אנרגיות היינון העוקבות עולות בקרב היסודות.קחו לדוגמה אשלגן. אנרגיית היינון השנייה שלו היא גבוהה יותר במידה משמעותית, כיוון שהיא כרוכה בהסרת אלטרון ליבה מיון עם תצורת גז אצילי. בדומה לכך, בסידן יש עלייה גדולה מאנרגיית היינון השנייה לשלישית כשאלקטרון ליבה נגרע מקטיון בתצורת גז אצילי.

8.4:

אנרגיית יינון

The amount of energy required to remove the most loosely bound electron from a gaseous atom in its ground state is called its first ionization energy (IE1). The first ionization energy for an element, X, is the energy required to form a cation with 1+ charge:

Eq1

The energy required to remove the second most loosely bound electron is called the second ionization energy (IE2).

Eq2

The energy required to remove the third electron is the third ionization energy, and so on. Energy is always required to remove electrons from atoms or ions, so ionization processes are endothermic and IE values are always positive. For larger atoms, the most loosely bound electron is located farther from the nucleus and so is easier to remove. Thus, as size (atomic radius) increases, the ionization energy should decrease. 

Within a period, the IE1 generally increases with increasing Z. Down a group, the IE1 value generally decreases with increasing Z. There are some systematic deviations from this trend, however. Note that the ionization energy of boron (atomic number 5) is less than that of beryllium (atomic number 4) even though the nuclear charge of boron is greater by one proton. This can be explained because the energy of the subshells increases as l increases, due to penetration and shielding. Within any one shell, the s electrons are lower in energy than the p electrons. This means that an s electron is harder to remove from an atom than a p electron in the same shell. The electron removed during the ionization of beryllium ([He]2s2) is an s electron, whereas the electron removed during the ionization of boron ([He]2s22p1) is a p electron; this results in lower first ionization energy for boron, even though its nuclear charge is greater by one proton. Thus, we see a small deviation from the predicted trend occurring each time a new subshell begins.

Another deviation occurs as orbitals become more than one-half filled. The first ionization energy for oxygen is slightly less than that for nitrogen, despite the trend in increasing IE1 values across a period. For oxygen, removing one electron will eliminate the electron-electron repulsion caused by pairing the electrons in the 2p orbital and will result in a half-filled orbital (which is energetically favorable). Analogous changes occur in succeeding periods.

Removing an electron from a cation is more difficult than removing an electron from a neutral atom because of the greater electrostatic attraction to the cation. Likewise, removing an electron from a cation with a higher positive charge is more difficult than removing an electron from an ion with a lower charge. Thus, successive ionization energies for one element always increase. As seen in Table 1, there is a large increase in the ionization energies for each element. This jump corresponds to the removal of the core electrons, which are harder to remove than the valence electrons. For example, Sc and Ga both have three valence electrons, so the rapid increase in ionization energy occurs after the third ionization.

Table 1: Successive Ionization Energies for Selected Elements (kJ/mol)

Element IE1 IE2 IE3 IE4 IE5 IE6 IE7
K 418.8 3051.8 4419.6 5876.9 7975.5 9590.6 11343
Ca 589.8 1145.4 4912.4 6490.6 8153.0 10495.7 12272.9
Sc 633.1 1235.0 2388.7 7090.6 8842.9 10679.0 13315.0
Ga 578.8 1979.4 2964.6 6180 8298.7 10873.9 13594.8
Ge 762.2 1537.5 3302.1 4410.6 9021.4 Not available Not available
As 944.5 1793.6 2735.5 4836.8 6042.9 12311.5 Not available

This text is adapted from OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.