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8.4: Énergie d'ionisation
TABLE DES
MATIÈRES

JoVE Core
Chemistry

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Ionization Energy
 
TRANSCRIPTION

8.4: Énergie d'ionisation

La quantité d'énergie nécessaire pour enlever l'électron le moins lié d'un atome gazeux dans son état fondamental est appelée son énergie de première ionisation (Ei1). L'énergie de première ionisation pour un élément, X, est l'énergie requise pour former un cation avec une charge de 1+ :

Eq1

L'énergie nécessaire pour enlever le deuxième électron le moins lié est appelée l'énergie de deuxième ionisation (Ei2).

Eq2

L'énergie nécessaire pour enlever le troisième électron est l'énergie de troisième ionisation, et ainsi de suite. L'énergie est toujours nécessaire pour arracher les électrons des atomes ou des ions, de sorte que les processus d'ionisation sont endothermiques et les valeurs d'Ei sont toujours positives. Pour les atomes plus grands, l'électron le moins lié est situé plus loin du noyau et il est donc plus facile à enlever. Ainsi, à mesure que la taille (rayon atomique) augmente, l'énergie d'ionisation devrait diminuer.  

Dans une période, Ei1 augmente généralement avec le Z croissant. En descendant dans un groupe, la valeur d'Ei1 diminue généralement avec le Z croissant. Il y a toutefois quelques écarts systématiques par rapport à cette tendance. Il convient de noter que l'énergie d'ionisation du bore (numéro atomique 5) est inférieure à celle du béryllium (numéro atomique 4), même si la charge nucléaire du bore est plus importante d'un proton. Ceci peut être expliqué par le fait que l'énergie des sous-couches augmente à mesure que l augmente, en raison de la pénétration et de l'effet d'écran. Dans n'importe quelle couche, les électrons s sont plus faibles en énergie que les électrons p. Cela signifie qu'un électron s est plus difficile à arracher d'un atome qu'un électron p sur la même couche. L'électron arraché lors de l'ionisation du béryllium ([He]2s2) est un électron s, alors que l'électron arraché lors de l'ionisation du bore ([He]2s22p1) est un électron p, ce qui se traduit par une énergie de première ionisation plus faible pour le bore, même si sa charge nucléaire est plus grande d'un proton. Ainsi, par rapport à la tendance prévue, nous voyons un petit écart se produire chaque fois qu'une nouvelle sous-couche commence.

Un autre écart se produit lorsque les orbitales sont remplies à plus de la moitié. L'énergie de première ionisation de l'oxygène est légèrement inférieure à celle de l'azote, malgré la tendance à l'élévation des valeurs de Ei1 sur une période donnée. Dans le cas de l'oxygène, l'arrachement d'un électron éliminera la répulsion électron-électron causée par l'appariement des électrons dans l'orbitale 2p et le résultat sera une orbitale à moitié remplie (ce qui est énergétiquement favorable). Des changements analogues se produisent dans les périodes qui suivent.

Il est plus difficile d'arracher un électron à un cation que d'arracher un électron à un atome neutre en raison de la plus grande attraction électrostatique vers le cation. De même, il est plus difficile d'arracher un électron à un cation ayant une charge positive plus élevée que d'arracher un électron à un ion ayant une charge plus faible. Ainsi, les énergies d'ionisation successives pour un élément augmentent toujours. Comme le montre le tableau 1, il y a une forte augmentation des énergies d'ionisation pour chaque élément. Ce saut correspond à l'arrachement des électrons de cœur, qui sont plus difficiles à arracher que les électrons de valence. Par exemple, Sc et Ga ont tous les deux trois électrons de valence, de sorte que l'augmentation rapide de l'énergie d'ionisation se produit après la troisième ionisation.

Tableau 1 : énergies d'ionisation successives pour quelques éléments sélectionnés (kJ/mol)

Élément Ei 1 Ei 2 Ei 3 Ei 4 Ei 5 Ei 6 Ei7
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 Non disponible Non disponible
As 944,5 1793,6 2735,5 4836,8 6042,9 12311,5 Non disponible

Ce texte est adapté de OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5 : Variations périodiques dans les propriétés des éléments.

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