1leonkadende: Ionisierungsenergie

Periodische Trends für die Ionisierungsenergie ( E _i) vs. Ordnungszahl: Beachten Sie, dass innerhalb von jede der sieben Perioden der E _{i _{i war.} (farbige Kreise) eines Elements beginnt bei einem Minimum von für die erste Spalte des Periodensystems (die Alkalimetalle) und erreicht ein Maximum von für die letzte Spalte (19459007) Edelgase), die durch vertikale Linien angezeigt und mit einem Edelgassymbol gekennzeichnet sind und auch als Trennlinien zwischen den 7 Perioden dienen. Das Maximum Ionisationsenergie für jede Reihe verringert sich wenn man von Reihe 1 zu Reihe 7 in einer gegebenen Spalte voranschreitet, aufgrund des zunehmenden Abstandes der äußeren Elektronenschale vom Kern als Innenschalen werden hinzugefügt.}

In Physik und Chemie Ionisationsenergie (amerikanische englische Schreibweise) oder Ionisationsenergie (britische englische Schreibweise), bezeichnet als E _iist die Mindestmenge an Energie, die erforderlich ist, um das am wenigsten gebundene Elektron, das Valenzelektron, eines isolierten neutralen gasförmigen Atoms oder Moleküls zu entfernen. Es wird quantitativ ausgedrückt als

X + Energie \to X + + e -

wobei $X$ ein beliebiges ionisierbares Atom oder Molekül ist, $X + 19659008] ist das Atom oder Molekül, bei dem ein Elektron entfernt wurde, und e - ist das entfernte Elektron. Dies ist im Allgemeinen ein endothermer Prozess. Je näher sich die äußersten Elektronen am Atomkern befinden, desto höher ist im Allgemeinen die Ionisierungsenergie des Atoms oder Elements.$

Die Wissenschaften der Physik und der Chemie verwenden unterschiedliche Messungen der Ionisierungsenergie. In der Physik ist die Einheit die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein einzelnes Elektron von einem einzelnen Atom oder Molekül zu entfernen, ausgedrückt als Elektronenvolt. In der Chemie ist die Einheit die Energiemenge, die für alle Atome in einem Mol Substanz erforderlich ist, um jeweils ein Elektron zu verlieren: molare Ionisierungsenergie oder Enthalpie, ausgedrückt in Kilojoule pro Mol (kJ / Mol) oder Kilokalorien pro Mol (kcal / Mol. ^[1]

Ein Vergleich von E _und von Elementen im Periodensystem zeigt zwei periodische Tendenzen:

E _i nimmt im Allgemeinen zu, wenn man sich innerhalb einer bestimmten Zeit (dh Reihe) von links nach rechts bewegt (dh Zeile).
E _i nimmt im Allgemeinen ab, wenn man von oben nach oben geht unten in einer bestimmten Gruppe (d. h. Spalte).

Der letztere Trend resultiert daraus, dass die äußere Elektronenhülle vom Kern fortschreitend weiter entfernt wird, wobei pro Zeile eine innere Hülle hinzugefügt wird, wenn man die Spalte nach unten bewegt.

Die n te Ionisierungsenergie bezieht sich auf die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron aus der Spezies mit einer Ladung von ( n -1) zu entfernen. Zum Beispiel sind die ersten drei Ionisierungsenergien wie folgt definiert:

1. Ionisierungsenergie

X \to X + + e -

Zweite Ionisierungsenergie

X + \to X 2+ + e -

3. Ionisierungsenergie

X 2+ \to X 3+ + e -

Der Begriff Ionisierungspotential ist ein älterer Name für Ionisierungsenergie, [19659026]weil die älteste Methode zur Messung der Ionisierungsenergie auf der Ionisierung einer Probe und der Beschleunigung des entfernten Elektrons unter Verwendung eines elektrostatischen Potentials basierte. Dieser Begriff wird jedoch inzwischen als veraltet angesehen. ^[3] Einige Faktoren, die die Ionisierungsenergie beeinflussen, umfassen:

Nuklearladung: Je größer die Größe der Kernladung ist, desto fester werden die Elektronen vom Kern gehalten und daher mehr Ionisierungsenergie.
Anzahl der Elektronenhüllen: Je größer die Größe des Atoms, desto geringer die Elektronen werden vom Kern gehalten und die Ionisierungsenergie wird geringer sein.
Effektive Kernladung ( Z _eff): Je größer die Elektronenabschirmung und -durchdringung ist, desto weniger werden die Elektronen von den Elektronen gehalten kern, je niedriger Z _eff des Elektrons, und daher wird weniger die Ionisierungsenergie sein. ^[4]
Typ des ionisierten Orbitals: das Atom mit einem eine stabilere elektronische Konfiguration hat weniger die Tendenz, Elektronen zu verlieren, und hat folglich eine hohe Ionisierungsenergie.
Belegung der Orbitalstoffe: Wenn das Orbital halb oder vollständig gefüllt ist, ist es schwieriger, Elektronen zu entfernen

Werte und Trends e dit ]

Im Allgemeinen ist die Ionisationsenergie ( n +1) grßer als die Ionisationsenergie . Wenn die nächste Ionisierungsenergie das Entfernen eines Elektrons aus derselben Elektronenhülle beinhaltet, ist der Anstieg der Ionisierungsenergie hauptsächlich auf die erhöhte Nettoladung des Ions zurückzuführen, von dem das Elektron entfernt wird. Von höher geladenen Ionen eines bestimmten Elements entfernte Elektronen erfahren größere Kräfte der elektrostatischen Anziehung. Daher erfordert ihre Entfernung mehr Energie. Wenn die nächste Ionisierungsenergie ein Entfernen eines Elektrons aus einer unteren Elektronenhülle beinhaltet, erhöht der stark verringerte Abstand zwischen dem Kern und dem Elektron außerdem sowohl die elektrostatische Kraft als auch die Entfernung, über die diese Kraft überwunden werden muss, um das Elektron zu entfernen. Beide Faktoren erhöhen die Ionisierungsenergie weiter.

Einige Werte für Elemente der dritten Periode sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Aufeinander folgende Ionisierungsenergiewerte / kJmol ^-1
(96.485 kJ / mol ≡ 1 eV)
Element Zuerst Zweitens Dritter Vierter Fünfter Sechster Siebter
Na 496 4,560
Mg 738 1.450 7,730
Al 577 1.816 2.881 11.600
Si 786 1577 3.228 4.354 16,100
P 1.060 1.890 2.905 4,950 6.270 21.200 19659083] S 999.6 2.260 3,375 4,565 6,950 19659052, 8.490 27,107 19659083] Cl 1.256 2,295 3.850 5,160 6,560 9.360 11.000 19659083] Ar 1520 2.665 3,945 5,770 7.230 8.780 12.000
Beim Durchgang von Edelgaskonfigurationen treten große Sprünge in den aufeinanderfolgenden molaren Ionisierungsenergien auf. Wie in der obigen Tabelle zu sehen ist, sind beispielsweise die ersten zwei molaren Ionisierungsenergien von Magnesium (Abstreifen der zwei 3s-Elektronen von einem Magnesiumatom) viel kleiner als die dritte, was das Abstreifen eines 2p-Elektrons von der Neonkonfiguration von erfordert Mg ²⁺. Dieses Elektron liegt viel näher am Kern als das vorherige 3s-Elektron.
Die Ionisierungsenergie ist auch ein periodischer Trend innerhalb der Organisation des Periodensystems. Wenn Sie sich innerhalb einer Periode von links nach rechts oder innerhalb einer Gruppe nach oben bewegen, steigt die erste Ionisierungsenergie im Allgemeinen an, mit einigen Ausnahmen wie Aluminium und Schwefel in der obigen Tabelle. Wenn die Kernladung des Kerns über die Periode zunimmt, nimmt der Atomradius ab und die Elektronenwolke nähert sich dem Kern.

Elektrostatische Erklärung [ edit ]

Die atomare Ionisierungsenergie kann durch eine Analyse unter Verwendung des elektrostatischen Potentials und des Bohr-Modells des Atoms wie folgt vorhergesagt werden (beachten Sie, dass die Ableitung Gaußsche Einheiten verwendet ).
Betrachten Sie ein Elektron der Ladung -e und einen Atomkern mit Ladung + Ze wobei Z die Anzahl der Protonen im Kern ist. Wenn sich das Elektron nach dem Bohr-Modell nähert und sich mit dem Atom verbindet, würde es in einem bestimmten Radius a liegen. Das elektrostatische Potential V im Abstand a vom ionischen Kern, bezogen auf einen unendlich weit entfernten Punkt, ist:
$a frac {Ze} {a}} , !}$
Da das Elektron negativ geladen ist, wird es durch dieses positive elektrostatische Potential nach innen gezogen. Die Energie, die das Elektron benötigt, um "auszusteigen" und das Atom zu verlassen, ist:
${ displaystyle E = eV = { frac {Ze ^ {2}} {a}} , !}$
Diese Analyse ist unvollständig, da sie den Abstand a als unbekannte Variable verlässt. Es kann strenger gemacht werden, indem jedem Elektron jedes chemischen Elements eine charakteristische Entfernung zugewiesen wird, die so gewählt ist, dass diese Beziehung mit den experimentellen Daten übereinstimmt.
Dieses Modell kann durch einen semi-klassischen Ansatz, bei dem der Impuls quantisiert wird, erheblich erweitert werden. Dieser Ansatz funktioniert sehr gut für das Wasserstoffatom, das nur ein Elektron hat. Die Größe des Drehimpulses für eine Kreisbahn ist:
${ displaystyle L = | { boldsymbol {r}} mal {p }} | = rmv = n hbar}$
Die Gesamtenergie des Atoms ist die Summe der kinetischen und potentiellen Energien, das heißt:
${ displaystyle E = T + U = { frac {p ^ {2}} {2m _ { rm {e}}}} - { frac {Ze ^ {2}} {r}} = { frac {m _ { rm {e}} v ^ {2 }} {2}} - { frac {Ze ^ {2}} {r}}}$
Die Geschwindigkeit kann aus dem Begriff der kinetischen Energie eliminiert werden, indem die Coulomb-Anziehungskraft gleich der Zentripetalkraft gesetzt wird.
${displaystyle T={frac {Ze^{2}}{2r}}}$
Lösen wir den Drehimpuls für v und setzen Sie diesen in den Ausdruck für kinetische Energie ein:
${ displaystyle { frac {n {{2} hbar {2] }} {rm _ { rm {e}}} = Ze ^ {2}}$
Dies legt die Abhängigkeit des Radius von n fest. Das ist:
${ displaystyle r (n) {{} {2} hbar ^ {2}} {Zm _ { rm {e}} e ^ {2}}}$
Nun kann die Energie in Bezug auf Z e und r gefunden werden. Unter Verwendung des neuen Wertes für die kinetische Energie in der obigen Gesamtenergiegleichung wird festgestellt:
${displaystyle E=-{frac {Ze^{2}}{2r}}}$

*Aufeinander folgende Ionisierungsenergiewerte /* kJmol ^-1
(96.485 kJ / mol ≡ 1 eV)
Element	Zuerst	Zweitens	Dritter	Vierter	Fünfter	Sechster	Siebter
Na	496	4,560
Mg	738	1.450	7,730
Al	577	1.816	2.881	11.600
Si	786	1577	3.228	4.354	16,100
P	1.060	1.890	2.905	4,950	6.270	21.200	19659083] S	999.6	2.260	3,375	4,565	6,950 19659052, 8.490	27,107 19659083] Cl	1.256	2,295	3.850	5,160	6,560	9.360	11.000 19659083] Ar	1520	2.665	3,945	5,770	7.230	8.780	12.000

E = - Z e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ] 2 r { displaystyle E = - { frac {Ze ^ {2}} {2r}} $E = - { frac {Ze ^ {2}} {2r}}$
Bei seinem kleinsten Wert ist n gleich 1 und r der Bohr-Radius a ₀ was ${ displaystyle { frac { hbar ^ {2}} {me ^ {2}}}}$