Энергия ионизации

Важной характеристикой атома, элементы определяющей его способ­ность отдавать электрон, является энергия ионизации (Е_и).

Энергия ионизации – это энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля нейтральных атомов данного элемента и образованием при этом положительно заряженных атомов (ионов).

Различают первую Е_и,1, вторую Е_и,2 и последующие энергии ионизации, то есть энергии, отвечающие удалению первого, второго и каждого последующего электрона из многоэлектронного атома.

Удаление первого электрона описывается уравнением:

Э + Е_и,1 → Э⁺ + ē,

где Э –нейтральный атом элемента;

Э⁺ – положительно заряженный атом (ион);

Е_и,1 – первая энергия ионизации, кДж/моль или эВ*.

По мере последовательного удаления электронов положительный заряд образующихся ионов растёт, и увеличивается взаимодействие электронов с атомным ядром. Поэтому для удаления каждого последующего электрона требуется значительно бόльшая энергия (табл. 6):

Э Э⁺ Э²⁺ … Эⁿ⁺;

Е_и,1 < Е_и,2 < Е_и,3 … < Е_и,n.

Энергия ионизации является функцией заряда ядра и радиуса атомов элементов, а также характера межэлектронного взаимодействия.

Е_и = f (Z, r_ат, межэлектронное взаимодействие).

При прочих равных условиях энергия ионизации обратно пропорциональна величине радиуса атома элемента, то есть чем дальше электроны находятся от атомного ядра, тем слабее их взаимодействие с этим ядром.

В многоэлектронном атоме на энергию взаимодействия внешних электронов с атомным ядром оказывает эффект экранирования, заключающийся в уменьшении воздействия на эти электроны заряда атомного ядра из-за наличия внутренних электронных слоёв. Экранирование, возрастая с увеличением числа внутренних электронных слоёв, ослабляет взаимодействие внешних электронов с атомным ядром. В результате на наиболее удалённые от атомного ядра внешние электроны действует не полный его заряд Z, а значительно меньший эффективный заряд Z_эф..

Таблица 6

Энергии ионизации атомов s- и p-элементов, эВ

В периоде наименьшую энергию ионизации (способность отдавать наиболее слабосвязанный с атомным ядром электрон) имеют атомы группы IA – атомы щелочных металлов (рис. 10), так как у них во внешнем электронном слое находится один электрон, который значительно удалён от ядра. Поэтому характерной осо­бенностью атомов щелочных металлов является их склонность к отдаче электронов с образованием однозарядных положительных ионов.

При переходе слева направо по периоду, вслед­ствие увеличения заряда атомных ядер и уменьшения радиуса атомов элементов, энергия ионизации в основном растёт и достигает мак­симумов у атомов благородных газов, обладающих энергетиче­ски устойчивой электронной конфигурацией ns²np⁶ (рис. 10). После завершения периода величина энергии ионизации резко снижается при переходе к атомам щелочных металлов, начинающих новый период.

В пределах групп А (s- и р-элементы) энергия ионизации атомов уменьшается сверху вниз (рис. 11). Это оз­начает, что на взаимодействие внешнего электрона с атомным ядром больше влияет увеличение радиуса атомов, чем заря­да их ядер, эффективная величина которых понижается за счёт экранирования электронами внутренних слоёв.

Рис. 10. Периодическая зависимость первой энергии ионизации

атомов элементов (эВ) от порядкового номера Z

В группах Б (за исключением III группы), изменение энергии ионизации носит обратный характер, увеличиваясь сверху вниз (рис. 11). Это связано с тем, что увеличение радиуса атомов элементов в группах Б относитель­но невелико, и поэтому увеличение заряда атомных ядер оказывает на энергию ионизации определяющее (более сильное) влияние, и внешний электрон притягивается атомным ядром сильнее.

Энергия ионизации является мерой восстановительной способности атомов элементов. Чем она меньше, тем легче атомы отдают электроны, и тем сильнее они проявляют восстановительные свойства.

Рис. 11. Изменение основных характеристик атомов элементов в периодах и группах периодической системы Д.И. Менделеева