İyonlaşma enerjisi - Ionization energy

Atom numarasına karşı çizilen iyonlaşma enerjisi eğilimleri . İyonlaşma enerjisi alkali metallerden soy gazlara doğru kademeli olarak artar . Değerlik elektron kabuğunun çekirdeğe olan mesafesinin artması nedeniyle, maksimum iyonlaşma enerjisi de belirli bir sütunda ilk satırdan son satıra doğru azalır. Öngörülen değerler, 104'ün üzerindeki öğeler için kullanılır.

Olarak fizik ve kimya , iyonlaşma enerjisi ( American English yazım) veya iyonizasyon enerjisi ( British English yazım) minimum enerji miktarı en gevşek bir şekilde bağlı kaldırmak için gerekli olan elektron izole edilmiş bir nötr gaz halindeki bir atom ya da molekül . Kantitatif olarak şu şekilde ifade edilir:

X(g) + enerji ⟶ X + (g) + e

burada X herhangi bir atom veya moleküldür, X + orijinal atom tek bir elektrondan sıyrıldığında ortaya çıkan iyondur ve e - çıkarılan elektrondur. Bu genellikle endotermik bir süreçtir . Kural olarak, en dıştaki elektronlar atomun çekirdeğine ne kadar yakınsa , atomun iyonlaşma enerjisi o kadar yüksek olur.

Fizik ve kimya bilimleri iyonlaşma enerjisi için farklı birimler kullanır. Fizikte birim, Elektron-volt olarak ifade edilen, tek bir atom veya molekülden tek bir elektronu çıkarmak için gereken enerji miktarıdır . Kimyada birim, bir mol maddedeki tüm atomların her biri bir elektron kaybetmesi için gereken enerji miktarıdır : molar iyonlaşma enerjisi veya yaklaşık olarak entalpi , mol başına kilojul (kJ/mol) veya mol başına kilokalori (kcal ) olarak ifade edilir. /mol).

Periyodik tablodaki atomların iyonlaşma enerjilerinin karşılaştırılması, Coulomb çekim kurallarına uyan iki periyodik eğilimi ortaya koymaktadır :

  1. İyonlaşma enerjisi belirli bir periyotta (yani sıra) genellikle soldan sağa doğru artar .
  2. İyonlaşma enerjisi genellikle belirli bir grupta (yani sütunda) yukarıdan aşağıya doğru azalır .

İkinci eğilim , sütunda aşağı doğru hareket ettikçe sıra başına bir iç kabuğun eklenmesiyle , dış elektron kabuğunun çekirdekten giderek daha uzak olmasından kaynaklanır.

N inci iyonizasyon enerjisi (bir yüke sahip olan bir türden en gevşek bağlanmış elektron çıkarmak için gerekli enerji miktarına karşılık gelir , n -1). Örneğin, ilk üç iyonlaşma enerjisi aşağıdaki gibi tanımlanır:

1. iyonlaşma enerjisi reaksiyonu sağlayan enerjidir X ⟶ X + + e
2. iyonlaşma enerjisi X + ⟶ X 2+ + e reaksiyonunu sağlayan enerjidir.
3. iyonlaşma enerjisi reaksiyonu sağlayan enerjidir X 2+ ⟶ X 3+ + e

Terimi, iyonizasyon potansiyeli iyonizasyon enerjisi ölçümü en eski usul bir numunenin iyonize ve kullanılarak çıkarılır elektron hızlandırıcı göre çünkü, iyonizasyon enerjisi için eski ve gereksiz bir terimdir elektrostatik potansiyel .

İyonlaşma enerjisini etkileyen en önemli faktörler şunlardır:

  • Elektron konfigürasyonu: Bu, çoğu elementin IE'sini açıklar, çünkü tüm kimyasal ve fiziksel özellikleri sadece ilgili elektron konfigürasyonlarını belirleyerek tespit edilebilir.
  • Nükleer yük: Nükleer yük ( atom numarası ) daha büyükse, elektronlar çekirdek tarafından daha sıkı tutulur ve dolayısıyla iyonlaşma enerjisi daha büyük olur.
  • Elektron kabuğu sayısı : Daha fazla kabuğun varlığından dolayı atomun boyutu daha büyükse, elektronlar çekirdek tarafından daha az sıkı tutulur ve iyonlaşma enerjisi daha az olur.
  • Efektif nükleer yük ( Z eff ): Elektron korumasının ve penetrasyonun büyüklüğü daha büyükse, elektronlar çekirdek tarafından daha az sıkı tutulur, elektronun Z eff'i ve iyonlaşma enerjisi daha azdır .
  • Kararlılık: Daha kararlı bir elektronik konfigürasyona sahip bir atomun elektron kaybetme eğilimi daha azdır ve sonuç olarak daha yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir.
  • Elektron işgali: En yüksek işgal edilen yörünge iki kat işgal edilmişse, bir elektronu çıkarmak daha kolaydır.

Diğer küçük faktörler şunları içerir:

  • Göreli Etkiler : Daha ağır elementler (özellikle atom numarası 70'den büyük olanlar ) elektronları ışık hızına yaklaştıkça bunlardan etkilenir ve dolayısıyla daha küçük atom yarıçapına/daha yüksek IE'ye sahiptir.
  • Lantanit ve Aktinid büzülmesi (ve skandid büzülmesi ): Elementlerin benzeri görülmemiş büzülmesi iyonlaşma enerjisini etkiler, çünkü çekirdeğin net yükü daha güçlü hissedilir.
  • Elektron çifti enerjileri ve enerji alışverişi : Bunlar sadece tam dolu ve yarı dolu orbitalleri hesaba katar. Yaygın bir yanılgı, "simetri"nin bir rol oynadığıdır; olsa da, şimdiye kadar hiçbiri kanıtını sonuçlandıramadı.

İyonlaşma enerjilerinin tayini

İyonlaşma enerjisi ölçüm cihazı.

Atomunun iyonizasyon enerjisi, gösterilen E i , ışığı miktarının (minimum enerji bulmak ölçülür fotonlar az bağlanan atom elektron kovmak bir bilinen enerjisine hızlandırılır) ya da elektron. Ölçüm, tek atomlar üzerinde gaz fazında gerçekleştirilir. Yalnızca soy gazlar tek atomlu gazlar olarak bulunurken, diğer gazlar tek atomlara bölünebilir. Ayrıca, birçok katı element ısıtılabilir ve tek atomlara buharlaştırılabilir. Monatomik buhar, bir voltaj kaynağına bağlı iki paralel elektrotu olan önceden boşaltılmış bir tüpte bulunur. İyonlaştırıcı uyarım, tüpün duvarlarından verilir veya içinde üretilir.

Ultraviyole ışık kullanıldığında, dalga boyu ultraviyole aralığında aşağı doğru süpürülür. Belirli bir dalga boyunda (λ) ve ışığın frekansında (v=c/λ, burada c ışık hızıdır), enerjisi frekansla orantılı olan ışık kuantası, en az bağlı elektronları yerinden oynatacak kadar yüksek enerjiye sahip olacaktır. . Bu elektronlar pozitif elektrota çekilecek ve fotoiyonizasyondan sonra kalan pozitif iyonlar negatif yüklü elektrota çekilecektir . Bu elektronlar ve iyonlar tüp boyunca bir akım oluşturacaktır. İyonizasyon enerjisi , akımda dik bir artışa neden olan i ( h , Planck sabitidir ) fotonlarının enerjisi olacaktır : E i = i .

Atomları iyonize etmek için yüksek hızlı elektronlar kullanıldığında, benzer bir boşaltılmış tüp içinde bir elektron tabancası tarafından üretilirler . Elektron demetinin enerjisi, hızlanma gerilimleri ile kontrol edilebilir. İyonların akımının keskin bir başlangıcına yol açan bu elektronların enerjisi ve tüp boyunca serbest kalan elektronlar, atomların iyonlaşma enerjisine eşit olacaktır.

Atomlar: değerler ve eğilimler

Genel olarak, ( N + 1), belirli bir elemanın geri kalanı, iyonizasyon enerjisi daha büyük olan N inci iyonizasyon enerjisi (aynı zamanda bir anyonun iyonizasyon enerjisi genel olarak daha az katyonlar ve aynı eleman için nötr atomunun fazla olduğu not edilebilir). Bir sonraki iyonlaşma enerjisi, aynı elektron kabuğundan bir elektronun çıkarılmasını içerdiğinde, iyonlaşma enerjisindeki artış, öncelikle elektronun çıkarıldığı iyonun artan net yükünden kaynaklanır. Daha yüksek yüklü iyonlardan uzaklaştırılan elektronlar, daha büyük elektrostatik çekim kuvvetleri yaşar; bu nedenle, bunların çıkarılması daha fazla enerji gerektirir. Ek olarak, bir sonraki iyonizasyon enerjisi, daha düşük bir elektron kabuğundan bir elektronun çıkarılmasını içerdiğinde, çekirdek ile elektron arasındaki büyük ölçüde azalan mesafe, hem elektrostatik kuvveti hem de elektronu çıkarmak için bu kuvvetin üstesinden gelinmesi gereken mesafeyi arttırır. Bu faktörlerin her ikisi de iyonlaşma enerjisini daha da arttırır.

Üçüncü periyodun elemanları için bazı değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir:

Ardışık iyonlaşma enerjisi değerleri / kJ  mol −1
(96.485 kJ mol −1 ≡ 1  eV )
eleman Öncelikle İkinci Üçüncü Dördüncü Beşinci Altıncı Yedinci
Na 496 4.560
Mg 738 1.450 7,730
Al 577 1.816 2.881 11.600
Si 786 1.577 3.228 4.354 16.100
P 1.060 1.890 2.905 4.950 6.270 21.200
S 1.000 2.295 3.375 4,565 6.950 8.490 27,107
Cl 1.256 2.260 3.850 5160 6.560 9.360 11.000
Ar 1.520 2.665 3.945 5.770 7.230 8780 12.000

Ardışık molar iyonlaşma enerjilerinde büyük sıçramalar, soy gaz konfigürasyonlarından geçerken meydana gelir . Örneğin, yukarıdaki tabloda görülebileceği gibi, magnezyumun ilk iki molar iyonizasyon enerjisi (bir magnezyum atomundan iki 3s elektronunu sıyırmak), üçüncüsünden çok daha küçüktür, bu da neon konfigürasyonundan bir 2p elektronun çıkarılmasını gerektirir . Mg2 + . Bu elektron çekirdeğe daha önce çıkarılan 3s elektronundan çok daha yakındır.

İyonlaşma enerjileri, periyodik element tablosundaki her periyodun sonunda soy gazlarda zirveye ulaşır ve kural olarak, yeni bir kabuk dolmaya başladığında düşer.

İyonlaşma enerjisi de periyodik tablo içinde periyodik bir eğilimdir . Bir periyot içinde soldan sağa veya bir grup içinde yukarı doğru gidildikçe, yukarıdaki tabloda alüminyum ve kükürt gibi istisnalar dışında, ilk iyonlaşma enerjisi genellikle artar. Periyot boyunca çekirdeğin nükleer yükü arttıkça, elektronlar ve proton arasındaki elektrostatik çekim artar, dolayısıyla atom yarıçapı azalır ve elektron bulutu çekirdeğe daha yakın hale gelir, çünkü elektronlar, özellikle en dıştaki elektronlar tarafından daha sıkı tutulur. daha yüksek etkili nükleer yük. Benzer şekilde, belirli bir grup içinde yukarı doğru hareket ederken, elektronlar çekirdeğe daha yakın olan düşük enerjili kabuklarda tutulur ve bu nedenle daha sıkı bağlanır.

İyonlaşma enerjilerinde istisnalar

Bir dönem içinde iyonlaşma enerjilerinin artması genel eğiliminin istisnaları vardır. Örneğin, berilyumdan değer azalır ( 
4
olmak
: 9.3 eV) için bor ( 
5
B
: 8.3 eV) ve nitrojenden ( 
7
n
: 14.5 eV) oksijene ( 
8
Ö
: 13,6 eV). Bu düşüşler elektron konfigürasyonları ile açıklanabilir.

Bora eklenen elektron bir p-orbitalini kaplar .

Bor, son elektronunu aynı kabuktaki 2s elektronlarından ortalama olarak çekirdekten daha uzakta olan bir 2p orbitalinde bulundurur. 2s elektronları daha sonra 2p elektronunu çekirdekten bir dereceye kadar korur ve 2p elektronunu bordan çıkarmak, berilyumdan 2s elektronunu çıkarmaktan daha kolaydır, bu da B için daha düşük iyonlaşma enerjisine neden olur.

Azot ve oksijenin elektron konfigürasyonu
Bu elektron konfigürasyonları, tam ve yarı dolu orbitalleri göstermez.
Kutu ve okları kullanarak nitrojen ve oksijenin elektron konfigürasyonu
Burada eklenen elektron, diğer 2p elektronların tersine bir dönüşe sahiptir. Bu, oksijenin iyonlaşma enerjisini azaltır.

Oksijende, son elektron, zıt spinli bir elektronla iki kat dolu bir p-orbitalini paylaşır . Aynı yörüngedeki iki elektron, farklı yörüngelerdeki iki elektrondan ortalama olarak birbirine daha yakındır, böylece birbirlerini daha etkili bir şekilde korurlar ve birini çıkarmak daha kolaydır, bu da daha düşük iyonlaşma enerjisine neden olur.

Ayrıca, her soy gaz elementinden sonra iyonlaşma enerjisi büyük ölçüde düşer. Bunun nedeni, alkali metallerdeki dış elektronun atomdan çıkarılması için iç kabuklardan çok daha düşük miktarda enerji gerektirmesidir. Bu aynı zamanda alkali metaller için düşük elektronegatiflik değerlerine yol açar .

Çinko ve Galyum'un ilgili elektron konfigürasyonları
Galyum konfigürasyonundaki tek bir p-orbital elektron nedeniyle , genel yapıyı daha az kararlı hale getirir, dolayısıyla iyonlaşma enerjisi değerlerindeki düşüş
Radyum ve Aktinyum'un Elektron Konfigürasyonu (yoğunlaştırılmış)
Actinium'un elektron konfigürasyonu, o tek d-orbital elektronu çıkarmak için daha az enerji gerektireceğini önceden belirler, yani daha büyük bir EC'ye sahip olmasına rağmen, radyum hala daha yüksek IE'ye sahiptir.

Eğilimler ve istisnalar aşağıdaki alt bölümlerde özetlenmiştir:

iyonlaşma enerjisi azalır

  • Yeni bir periyoda geçiş: bir alkali metal, bir oktet veya yalancı soy gaz konfigürasyonu bırakmak için kolayca bir elektron kaybeder , bu nedenle bu elementler IE için yalnızca küçük değerlere sahiptir.
  • S bloğundan p bloğuna geçerken: bir p-orbital bir elektronu daha kolay kaybeder. Bir örnek, elektron konfigürasyonu 1s 2 2s 2 2p 1 ile berilyumdan borondur . 2s elektronları, daha yüksek enerjili 2p elektronunu çekirdekten koruyarak çıkarılmasını biraz daha kolaylaştırır. Bu aynı zamanda olur magnezyum için alüminyum .
  • Diğer elektronların tersine spinli ilk elektronu ile bir p-alt kabuğu işgal etmek: nitrojende olduğu gibi ( 
    7
    n
    : 14.5 eV) oksijene ( 
    8
    Ö
    : 13.6 eV) ve fosfor ( 
    15
    P
    : 10.48 eV) için kükürt ( 
    16
    S
    : 10.36 eV). Bunun nedeni, oksijen, kükürt ve selenyumun tümünün koruyucu etkilerinden dolayı daldırma iyonizasyon enerjilerine sahip olmasıdır. Bununla birlikte, bu , kalkanın bir daldırma oluşturamayacak kadar küçük olduğu tellürden başlayarak devam etmez .
  • D bloğundan p bloğuna geçiş: çinko örneğinde olduğu gibi ( 
    30
    çinko
    : 9.4 eV) ila galyum ( 
    31
    ga
    : 6.0 eV)
  • Özel durum: kurşundan azalma ( 
    82
    Pb
    : 7,42 eV) için bizmut ( 
    83
    Bi
    : 7.29 eV). Bu boyuta atfedilemez (fark minimumdur: kurşunun kovalent yarıçapı 146 pm'dir, oysa bizmut'un kovalent yarıçapı 148 pm'dir). Bu faktör, iki bitişik elemanda çok benzer olduğu için, 6s yörüngesinin göreli stabilizasyonuna da atfedilemez. Diğer faktörler, bizmutun yarı dolu yörüngesi (stabilizasyon ekleyerek) nedeniyle daha yüksek IE'ye sahip olması gerektiğini , periyodik tablodaki konumu (Bi daha doğrudur, dolayısıyla Pb'den daha az metalik olmalıdır) ve bir taneye sahiptir. daha fazla proton ([etkili] nükleer yüke katkıda bulunur).
  • Özel durum: radyumdan azalma ( 
    88
    Ra
    : 5,27 eV) aktinyuma ( 
    89
    AC
    : 5.17 eV) s'den ad orbitaline geçiştir. Bununla birlikte gelen analog şalter baryum ( 
    56
    Ba
    : 5,2 eV) lantana ( 
    57
    La
    : 5.6 eV) aşağı yönlü bir değişiklik göstermez.
  • lütesyum ( 
    71
    lu
    ) ve lavrensiyum ( 
    103
    lr
    ) her ikisinin de önceki elementlerden daha düşük iyonlaşma enerjileri vardır. Her iki durumda da son eklenen elektron yeni bir alt kabuk başlatır : [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2 elektron konfigürasyonlu Lu için 5d ve [Rn] 5f 4 7s 2 7p 1 konfigürasyonlu Lr için 7p . İyonizasyon enerjilerindeki bu düşüşler, o zamandan beri Lu ve Lr'nin lantan (La) ve aktinyum (Ac) yerine periyodik tablonun 3. Grubuna yerleştirilmesi gerekip gerekmediği konusundaki tartışmalarda kanıt olarak kullanılmıştır .

iyonlaşma enerjisi artar

  • 18. Grup soy gaz elementlerine ulaşma : Bunun nedeni, tam elektron alt kabuklarıdır, bu nedenle bu elementler bir elektronu çıkarmak için büyük miktarda enerji gerektirir.
  • Grup 12: Buradaki elementler, çinko ( 
    30
    çinko
    : 9.4 eV), kadmiyum ( 
    48
    CD
    : 9.0 eV) ve cıva ( 
    80
    Hg
    : 10.4 eV) önceki elementlerinin aksine ani yükselen IE değerleri kaydeder: bakır ( 
    29
    Cu
    : 7.7 eV), gümüş ( 
    47
    Ag
    : 7.6 eV) ve altın ( 
    79
    Au
    : 9.2 eV) sırasıyla. Cıva için, 6s elektronlarının göreli stabilizasyonunun, dış değerlik elektronları üzerindeki etkili nükleer yükü artıran 4f elektronları tarafından zayıf korumaya ek olarak iyonizasyon enerjisini arttırdığı tahmin edilebilir . Ek olarak, kapalı-alt kabuk elektron konfigürasyonları: [Ar] 3d 10 4s 2 , [Kr] 4d 10 5s 2 ve [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 artan stabilite sağlar.
  • Özel durum: rodyumdan geçiş ( 
    45
    Rh
    : 7,5 eV) için paladyum ( 
    46
    PD
    : 8.3 eV). Diğer Grup 10 elementlerinden farklı olarak paladyum, elektron konfigürasyonu nedeniyle önceki atomdan daha yüksek bir iyonlaşma enerjisine sahiptir. Nikelin [Ar] 3d 8 4s 2 ve platinin [Xe] 4f 14 5d 9 6s 1 'in aksine , paladyumun elektron konfigürasyonu [Kr] 4d 10 5s 0'dır ( Madelung kuralı [Kr] 4d'yi öngörmesine rağmen). 8 5s 2 ). Son olarak, gümüşün alt IE'si ( 
    47
    Ag
    : 7.6 eV) paladyum için yüksek değeri daha da vurgular; tek eklenen s elektronu, paladyumdan daha düşük bir iyonizasyon enerjisiyle çıkarılır, bu da paladyumun yüksek IE'sini vurgular (IE için yukarıdaki doğrusal tablo değerlerinde gösterildiği gibi)
  • IE gadolinyum ( 
    64
    gd
    : 6.15 eV), önceki her ikisinden ( 
    62
    Sm
    : 5,64 eV), ( 
    63
    AB
    : 5.67 eV) ve aşağıdaki elemanlar ( 
    65
    yemek
    : 5,86 eV), ( 
    66
    dy
    : 5,94 eV). Bu anormallik, gadolinyum değerlik d-alt kabuğunun, değerlik f-alt kabuğundan 1 elektron ödünç alması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Şimdi değerlik alt kabuğu d-alt kabuğudur ve değerlik f-alt kabuğu elektronlarının elektronları tarafından +ve nükleer yükün zayıf koruması nedeniyle d-alt kabuğu çekirdeğe daha büyük bir çekim yaşar, bu nedenle (En Dıştaki) Değerliliği çıkarmak için gereken enerjiyi arttırır. -IE .
  • D-blok elemanlarına geçiş: 3d 1 elektronik konfigürasyonlu Sc elemanları daha yüksek bir IP'ye sahiptir ( 
    21
    sc
    : 6.56 eV) önceki elemandan ( 
    20
    CA
    : 6.11 eV), s-blok ve p-blok elemanlarına geçişteki düşüşlerin aksine. 4s ve 3d elektronlar benzer koruma kabiliyetine sahiptir: 3d yörünge, ortalama konumu çekirdeğe 4s yörüngesinden ve n=4 kabuğundan daha yakın olan n=3 kabuğunun bir parçasını oluşturur, ancak s yörüngelerindeki elektronlar daha fazla nüfuz eder. çekirdek, d orbitallerindeki elektronlardan daha fazladır. Bu nedenle, 3d ve 4s elektronlarının karşılıklı koruması zayıftır ve iyonize elektrona etki eden etkin nükleer yük nispeten büyüktür. itriyum ( 
    39
    Y
    ) benzer şekilde daha yüksek bir IP'ye (6,22 eV) sahiptir.  
    38
    Bay
    : 5,69 eV. Son iki d 1 öğesi ( 
    57
    La
    : 5,18 eV) ve ( 
    89
    AC
    : 5.17 eV) önceki öğelerinden ( 
    56
    Ba
    : 5.21 eV) ve ( 
    88
    Ra
    : 5.18 eV).
  • f-blok elemanlarına geçiş; İyonlaşma enerjileri için yukarıdaki grafikte görülebileceği gibi, IE değerlerindeki keskin artış ( 
    55
    C'ler
    ) ile ( 
    57
    La
    ) f elektronları eklendikçe küçük, neredeyse doğrusal bir artış izler. Bunun nedeni lantanit büzülmesidir (lantanitler için). İyonik yarıçaptaki bu azalma, iki özellik birbiriyle ilişkili olduğundan, sırayla artan iyonlaşma enerjisindeki bir artışla ilişkilidir . D-blok elemanlarına gelince, elektronlar bir iç kabuğa eklenir, böylece yeni kabuklar oluşmaz. Eklenen orbitallerin şekli, onları işgal eden elektronların daha az ekranlama kapasitesine sahip olması için çekirdeğe nüfuz etmelerini engeller.

Gruplarda iyonlaşma enerjisi anomalileri

Koruma daha fazla elektron tarafından sağlandığından ve genel olarak, değerlik kabukları çekirdekten daha zayıf bir çekime maruz kaldığından, bir grup içindeki daha ağır elementlere giderken iyonlaşma enerjisi değerleri azalma eğilimindedir. Bununla birlikte, bu her zaman böyle değildir. Bir istisna olarak, Grup 10 paladyumda ( 
46
PD
: 8.34 eV) nikelden daha yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir ( 
28
Ni
: 7.64 eV), teknetyumdan elementler için genel düşüşün aksine  
43
Tc
ksenon'a  
54
Xe
. Bu tür anomaliler aşağıda özetlenmiştir:

  • Grup 1:
    • Hidrojenin iyonlaşma enerjisi, alkali metallere kıyasla çok yüksektir (13.59844 eV'de). Bu, çekirdeğe yakın olan tek elektronundan (ve dolayısıyla çok küçük elektron bulutundan ) kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde, perdelemeye neden olabilecek başka elektronlar olmadığından, bu tek elektron çekirdeğin tam net pozitif yükünü yaşar.
    • Fransiyum sitesindeki iyonizasyon enerjisi örnek daha yüksek olan alkali metali , sezyum . Bunun nedeni onun (ve radyumun) göreli etkileri nedeniyle küçük iyonik yarıçaplarıdır. Büyük kütleleri ve boyutları nedeniyle bu, elektronlarının son derece yüksek hızlarda hareket ettiği ve bu da elektronların çekirdeğe beklenenden daha yakın hale gelmesine ve sonuç olarak çıkarılmasının daha zor olduğu (daha yüksek IE) anlamına gelir.
  • Grup 2: Radyum onun öncül daha yüksektir sitesindeki iyonizasyon enerjisi alkalin toprak metal baryum fransiyum gibi, bağlı göreli etkilere de. Elektronlar, özellikle 1s elektronları, çok yüksek etkili nükleer yükler yaşarlar . Çekirdeğe düşmekten kaçınmak için, 1s elektronları çok yüksek hızlarda yörüngede dönmelidir, bu da özel göreli düzeltmelerin yaklaşık klasik momentumdan önemli ölçüde daha yüksek olmasına neden olur. Tarafından belirsizlik prensibi , bu (çekirdeğe elektron yoğunluğu yakın, özellikle ns ve NP orbitalleri ve diğer orbitalleri) yörünge 1s göreli bir daralmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla bu, en dıştaki elektron kabuklarının büzülmesi ve çekirdeğe yaklaşmasıyla sonuçlanan bir dizi elektron değişikliğine neden olur.
  • Grup 14: Kurşunlar ( 
    82
    Pb
    : 7.4 eV) alışılmadık derecede yüksek iyonlaşma enerjisi. Bunun nedeni sadece 5d elektronlarının değil, aynı zamanda 4f elektronlarının da ( lantanitler ) dahil edilmesidir. 4f elektronları çekirdeği, etkili nükleer yükün oldukça yüksek olmasına neden olan 6p elektronlarından oldukça verimsiz bir şekilde süzer, o kadar ki kurşun için iyonizasyon enerjisi aslında kalaydan biraz daha yüksektir .
  • Grup 4:
    • Hafniyum , IE'de zirkonyuma yakın benzerlik gösterir . Lantanit kasılmasının etkileri, lantanitlerden sonra hala hissedilebilir . İlkinin daha küçük atom yarıçapları ( gözlenen periyodik eğilimle çelişir ) aracılığıyla 159 pm'de ( ampirik değer ) görülebilir ve bu ikincisinin 155 pm'sinden farklıdır. Bu da iyonlaşma enerjilerinin 18±kJ/mol -1 artmasını sağlar .
      • Hem hafniyum hem de zirkonyumdan daha az olan Titanyum'un IE'si. Hafniumun iyonlaşma enerjisi, lantanit büzülmesinden dolayı zirkonyuma benzer. Ancak, zirkonyumun iyonlaşma enerjisinin neden kendinden önceki elementten daha yüksek olduğu örtülü kalır; atom yarıçaplarını, aslında zirkonyum ve hafniyum için saat 15'e kadar daha yüksek olduğu için yönetemeyiz. Ayrıca kural olamaz yoğunlaştırılmış bunlar ([burada Ar] 3d veya daha az aynı konum olarak, iyonizasyon enerjisi 2 4s 2 [Kr] 4d ise, titanyum 2 5s 2 zirkonyum için). Ek olarak, karşılaştırabileceğimiz yarı dolu veya tam dolu yörüngeler yoktur. Bu nedenle, sadece zirkonyumun 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 2 5s 2 olan tam elektron konfigürasyonunu göz ardı edebiliriz . Tam bir 3d-blok alt seviyesinin varlığı, 4d-blok elemanlarına (sadece iki elektron olan) kıyasla daha yüksek bir ekranlama verimliliği ile eşdeğerdir.
  • Grup 5: Grup 4'e benzer, niyobyum ve tantal elektron konfigürasyonları ve ikinci elementi etkileyen lantanit büzülmesi nedeniyle birbirine benzer. Ipso facto, gruptaki en önde gelen element olan vanadyum ile karşılaştırıldığında IE'deki önemli artışları , elektron konfigürasyonlarına ek olarak tam d-blok elektronları nedeniyle atfedilebilir. Bir başka ilgi çekici kavram, niyobyumun yarı dolu 5s orbitalidir; itme ve değişim enerjisi nedeniyle (başka bir deyişle, elektronu yüksek enerjili bir alt düzeye yerleştirmek yerine bir elektronu düşük enerjili bir alt düzeye yerleştirmenin "maliyetleri" ) s- ve d- arasındaki enerji boşluğunu aşmak (veya f) elektronları bloke ederse, EC Madelung kuralına uymaz.
  • Grup 6: Öncü grup 4 ve 5 gibi, grup 6 da aşağı doğru hareket ederken yüksek değerler kaydeder. Tungsten , elektron konfigürasyonları nedeniyle bir kez daha molibdene benzer . Aynı şekilde, elektron konfigürasyonundaki tam 3 boyutlu yörüngeye de atfedilir. Diğer bir neden, aufbau ilkesini ihlal eden elektron çifti enerjileri nedeniyle molibdenin yarı dolu 4d yörüngesidir.
  • Grup 7-12 6. periyot elementleri ( renyum , osmiyum , iridyum , platin , altın ve cıva ): Bu elementlerin tümü, kendi gruplarında kendilerinden önceki elementten son derece yüksek iyonlaşma enerjilerine sahiptir. Bunun özü, 6s yörüngesinin göreli stabilizasyonuna ek olarak, lantanit büzülmesinin lantanit sonrası etkisinden kaynaklanmaktadır.
  • Grup 13:
    • Galyum'un IE'si alüminyumdan daha yüksektir. Bu, skandid büzülmesine ek olarak, zayıf kalkanlama sağlayan d-orbitallerinden dolayıdır ve dolayısıyla etkin nükleer yükler artar.
    • Talyumun IE'si, lantanid büzülmesine ek olarak 4f elektronlarının zayıf koruması nedeniyle, öncü indiyumun aksine IE'sinin yükselmesine neden olur .
  • Grup 14: Kalay ile karşılaştırıldığında daha yüksek IE'ye sahip kurşun . Bu, Grup IIIA'nın talyumuna benzer şekilde, f orbital ve lantanit kasılması ile zayıf kalkanlama ile ilişkilendirilir.

Hidrojen atomu için Bohr modeli

Hidrojen atomunun ( ) iyonlaşma enerjisi , atom enerji seviyesinin enerjiye sahip olduğunu öngören Bohr modelinde değerlendirilebilir.

Temel haldeki hidrojen için ve böylece atomun iyonlaşmadan önceki enerjisi basitçe

İyonizasyondan sonra, protondan sonsuz uzaklıkta hareketsiz bir elektron için enerji sıfırdır, böylece iyonlaşma enerjisi

. Bu, hidrojen atomunun deneysel değeri ile uyumludur.

Kuantum-mekanik açıklama

Kuantum mekaniğinin daha eksiksiz teorisine göre , bir elektronun konumu en iyi şekilde bir elektron bulutu , yani atomik yörünge içindeki bir olasılık dağılımı olarak tanımlanır . Enerji, bu bulut üzerinden entegre edilerek hesaplanabilir. Bulutunun altında yatan matematiksel temsilidir dalga fonksiyonu inşa edilmiştir Slater belirleyicileri moleküler sıkma orbitallere oluşan. Bunlar, Pauli'nin dışlama ilkesi ile atomik veya moleküler orbitallerin simetrik olmayan ürünleriyle ilişkilidir .

İyonlaşma enerjisinin hesaplanmasının iki ana yolu vardır. Genel olarak, için hesaplama N iyonizasyon enerjisi inci enerjilerini hesaplanmasını gerektirmektedir ve elektron sistemleri. Bu enerjileri tam olarak hesaplamak, en basit sistemler (yani hidrojen ve hidrojen benzeri elementler) dışında, öncelikle elektron korelasyon terimlerini entegre etmedeki zorluklardan dolayı mümkün değildir . Bu nedenle, ampirik verilere kıyasla karmaşıklık (hesaplama süresi) ve doğruluğu değişen farklı yöntemlerle yaklaşıklık yöntemleri rutin olarak kullanılır. Bu, iyi çalışılmış bir problem haline geldi ve hesaplamalı kimyada rutin olarak yapılıyor . İyonizasyon enerjilerini hesaplamanın ikinci yolu, esas olarak en düşük yaklaşıklık seviyesinde kullanılır; burada iyonizasyon enerjisi, en yüksek dolu moleküler orbital veya " HOMO " ve en düşük boş moleküler orbital veya " LUMO " yu içeren Koopmans teoremi tarafından sağlanır , ve bir atomun veya molekülün iyonlaşma enerjisinin, elektronun fırlatıldığı yörüngenin enerjisine eşit olduğunu belirtir. Bu, iyonlaşma enerjisinin, biçimsel denklemi şuna eşit olan HOMO enerjisine eşit olduğu anlamına gelir: .

Moleküller: dikey ve adyabatik iyonlaşma enerjisi

Şekil 1. Franck–Condon prensip enerji diyagramı. İki atomlu bir molekülün iyonlaşması için tek nükleer koordinat bağ uzunluğudur. Alttaki eğri, nötr molekülün potansiyel enerji eğrisidir ve üstteki eğri, daha uzun bağ uzunluğuna sahip pozitif iyon içindir. Mavi ok dikey iyonizasyondur, burada molekülün temel durumundan iyonun v=2 seviyesine kadar.

Moleküllerin iyonlaşması genellikle moleküler geometride değişikliklere yol açar ve iki tür (birinci) iyonlaşma enerjisi tanımlanır - adyabatik ve dikey .

adyabatik iyonlaşma enerjisi

Adyabatik bir molekülün iyonizasyon enerjisidir en az bir nötr molekülden bir elektron çıkarmak için gerekli olan enerji miktarı, enerjisi arasındaki, yani fark titreşim temel durum pozitifliği nötr türlerinin (V"= 0 seviye) ve iyon (v' = 0) Her türün özgül denge geometrisi bu değeri etkilemez.

Dikey iyonlaşma enerjisi

İyonizasyondan kaynaklanabilecek moleküler geometrideki olası değişiklikler nedeniyle, nötr türlerin titreşimsel temel durumu ile pozitif iyonun titreşimsel uyarılmış durumları arasında ek geçişler olabilir . Başka bir deyişle, iyonizasyona titreşimsel uyarım eşlik eder . Bu tür geçişlerin yoğunluğu , en olası ve yoğun geçişin, nötr molekülle aynı geometriye sahip pozitif iyonun titreşimsel olarak uyarılmış durumuna karşılık geldiğini öngören Franck-Condon ilkesi ile açıklanır . Bu geçiş, bir potansiyel enerji diyagramında tamamen dikey bir çizgi ile temsil edildiğinden, "dikey" iyonlaşma enerjisi olarak adlandırılır (bkz. Şekil).

İki atomlu bir molekül için geometri, tek bir bağın uzunluğu ile tanımlanır . Bağlayıcı bir moleküler orbitalden bir elektronun çıkarılması , bağı zayıflatır ve bağ uzunluğunu arttırır. Şekil 1'de, alt potansiyel enerji eğrisi nötr molekül içindir ve üst yüzey pozitif iyon içindir. Her iki eğri de potansiyel enerjiyi bağ uzunluğunun bir fonksiyonu olarak gösterir. Yatay çizgiler , ilgili titreşimsel dalga fonksiyonlarıyla birlikte titreşim seviyelerine karşılık gelir . İyon daha zayıf bir bağa sahip olduğundan, daha uzun bir bağ uzunluğuna sahip olacaktır. Bu etki, potansiyel enerji eğrisinin minimumunun nötr türlerin sağına kaydırılmasıyla temsil edilir. Adyabatik iyonlaşma, iyonun titreşimsel temel durumuna çapraz geçiştir. Dikey iyonizasyon, iyonik durumun titreşimle uyarılmasını içerebilir ve bu nedenle daha fazla enerji gerektirir.

Birçok durumda, adyabatik iyonlaşma enerjisi, iki potansiyel enerji yüzeyi arasındaki enerji farkını tanımladığı için genellikle daha ilginç bir fiziksel niceliktir. Bununla birlikte, deneysel sınırlamalar nedeniyle, adyabatik iyonlaşma enerjisinin belirlenmesi genellikle zordur, oysa dikey ayrılma enerjisi kolayca tanımlanabilir ve ölçülebilirdir.

İyonlaşma enerjisinin diğer sistemlere analogları

İyonlaşma enerjisi terimi büyük ölçüde yalnızca gaz fazlı atomik veya moleküler türler için kullanılırken, bir elektronu diğer fiziksel sistemlerden uzaklaştırmak için gereken enerji miktarını dikkate alan bir dizi benzer miktar vardır.

elektron bağlama enerjisi

Atom numarasının bir fonksiyonu olarak belirli atomik orbitallerin bağlanma enerjileri. Artan proton sayısı nedeniyle, aynı yörüngeyi işgal eden elektronlar daha ağır elementlerde daha sıkı bağlanır.

Elektron bağlama enerjisi , pozitif yüklü çekirdeğin elektrostatik çekimi tarafından yerinde tutulan bu negatif yüklü elektronlar nedeniyle, bir atom veya iyon için belirli bir elektron kabuğundan bir elektronu çıkarmak için gereken minimum enerji için genel bir terimdir . Örneğin , klorür iyonundan bir 3p 3/2 elektronu koparmak için elektron bağlama enerjisi , -1 yükü olduğunda klor atomundan bir elektronu çıkarmak için gereken minimum enerji miktarıdır. Bu özel örnekte, elektron bağlama enerjisi, nötr klor atomunun elektron ilgisi ile aynı büyüklüğe sahiptir . Başka bir örnekte, elektron bağlama enerjisi, dikarboksilat dianyondan bir elektronu çıkarmak için gereken minimum enerji miktarını ifade eder O 2 C(CH 2 ) 8 CO-
2
.

Sağdaki grafik, nötr atomlardaki farklı kabuklardaki elektronların bağlanma enerjisini gösterir. İyonlaşma enerjisi, belirli bir atom için en düşük bağlanma enerjisidir (bunların hepsi grafikte gösterilmese de).

Katı yüzeyler: çalışma fonksiyonu

İş fonksiyonu , katı bir yüzeyden bir elektronu uzaklaştırmak için gereken minimum enerji miktarıdır, burada belirli bir yüzey için iş fonksiyonu W , fark ile tanımlanır.

burada - E bir yükü olan elektron , φ olan elektrostatik potansiyel yüzeyine yakın olan bir vakumda, ve E F olan Fermi düzeyi ( elektrokimyasal potansiyel malzeme içine elektronların).

Not

Ayrıca bakınız

  • Rydberg denklemi , hidrojen ve hidrojen benzeri elementlerin iyonlaşma enerjilerini belirleyebilen bir hesaplama . Bu, bu site aracılığıyla daha da detaylandırılmıştır .
  • Elektron ilgisi , nötr bir atom veya moleküle bir elektron eklenmesiyle açığa çıkan enerjiyi tanımlayan yakından ilişkili bir kavramdır .
  • Kafes enerjisi , iyonlar bir bileşik oluşturmak üzere birleştiğinde açığa çıkan enerjinin bir ölçüsüdür .
  • Elektronegatiflik , iyonlaşma enerjisi ile bazı benzerlikleri paylaşan bir sayıdır.
  • Hartree-Fock teorisinde tahmin edilen iyonlaşma enerjileri ile ilgili Koopmans teoremi .
  • Ditungsten tetra(hpp) , kararlı bir kimyasal bileşik için kaydedilen en düşük iyonlaşma enerjisine sahiptir .
  • Bağ ayrışma enerjisi , iki radikal parça A ve B'yi veren homoliz yoluyla parçalama ve ardından entalpi değişiminin değerlendirilmesi yoluyla hesaplanan bir kimyasal bağın gücünün ölçüsüdür.
  • Bir kimyasal bağın gücünün ortalama ölçüsü olan bağ enerjisi , tüm kimyasal bağları tek tek atomlara ayırmak için gereken ısı miktarıyla hesaplanır.

Referanslar

Kaynaklar