طاقة التأين

التعريف والقياس

نقيس عملية من نوع X(g) → X⁺(g)+e⁻، ولذلك تكون طاقة التأين مقدارًا موجبًا في هذا الاصطلاح. القياسات الطيفية تحدد عتبة الطاقة التي يبدأ عندها خروج الإلكترون.

الطاقة الأولى والمتتابعة

IE₁ تنزع الإلكترون الأول من الذرة المتعادلة، ثم IE₂ من الكاتيون الأحادي وهكذا. كل خطوة تجرى على نوع كيميائي مختلف، لذلك ترتفع القيم عادة.

لماذا الحالة الغازية

الغاز يفصل خاصية الذرة أو الأيون عن طاقات الشبكة والمذيب. في مادة صلبة أو محلول تدخل عمليات أخرى فلا تعود القيمة طاقة تأين ذرية بسيطة.

الاتجاه الدوري العام

يزداد الارتباط عادة عبر الدورة ويضعف نزولًا في المجموعة، نتيجة مزيج Z_eff والحجب والمسافة.

عبر الدورة

تزداد Z_eff عمومًا بينما يبقى إلكترون التكافؤ في الغلاف الرئيسي نفسه؛ فيصعب نزعه وتزداد IE₁ في الاتجاه العام.

نزولًا في المجموعة

تزداد n والمسافة والحجب، فيصبح الإلكترون الخارجي أقل ارتباطًا رغم زيادة عدد البروتونات، ولذلك تنخفض IE₁ غالبًا.

الاستثناءات المفيدة

المنحنى ليس خطًا أملس، لأن طاقة تحت الغلاف والازدواج الإلكتروني قد يعاكسان الاتجاه البسيط.

Be مقابل B

في B يبدأ الإلكترون الخارجي في 2p، وهو أعلى طاقة وأقل اختراقًا من 2s الممتلئ في Be؛ لذلك يمكن أن تكون IE₁ لـB أقل.

N مقابل O

N يملك 2p³ نصف ممتلئ، بينما O يضيف إلكترونًا مزدوجًا في أحد مدارات p؛ التنافر داخل الزوج يجعل نزع إلكترون من O أسهل نسبيًا.

طاقات التأين المتتابعة

القفزة الكبيرة بعد عدد معين من الإلكترونات تكشف أن الإلكترون التالي يأتي من غلاف داخلي أقرب وأقل حجبًا.

القفزة بعد التكافؤ

لعنصر من المجموعة 2 تكون IE₁ وIE₂ إلكتروني تكافؤ، ثم تقفز IE₃ لأن النزع يبدأ من لب شبيه بالغاز النبيل.

قراءة السلسلة

بدل حفظ أرقام منفردة، ابحث عن موضع تغير رتبة المقدار. هذا الموضع يربط القياس مباشرة بعدد إلكترونات التكافؤ في عناصر المجموعات الرئيسية.

الفلزات الانتقالية و4s/3d

الكتابة المحايدة لا تكفي لتحديد ترتيب النزع بعد تكون الكاتيون. تتغير طاقات المدارات مع تغير الشحنة والإشغال.

K → Ca → Sc

في K وCa يُملأ 4s قبل 3d في الذرات المتعادلة. عند Sc يبدأ إشغال 3d، لكن قرب الطاقات يجعل ترتيبها حساسًا للبيئة الإلكترونية.

لماذا تُنزع 4s أولًا

بعد بدء إشغال 3d وإزالة إلكترونات، ينكمش 3d ويصبح أكثر ارتباطًا نسبيًا، بينما يمتد 4s إلى الخارج؛ لذلك تُنزع إلكترونات 4s أولًا في كثير من الكاتيونات الانتقالية.

Fe → Fe²⁺ → Fe³⁺

الحديد المتعادل يُكتب [Ar]3d⁶4s². تكوين Fe²⁺ يزيل إلكتروني 4s أولًا فيعطي تقريبًا [Ar]3d⁶، ثم Fe³⁺ يصبح [Ar]3d⁵ المستقر نسبيًا بنصف امتلاء d.

المعنى الكيميائي

طاقة التأين تفسر سهولة تكوين الكاتيونات لكنها ليست وحدها حكمًا على التفاعل أو حالة الأكسدة.

الفلزات القلوية

IE₁ المنخفضة تجعل فقد إلكترون ns¹ سهلًا نسبيًا، فتظهر حالة +1 كثيرًا عندما تعوض الشبكة أو الإماهة تكلفة التأين.

لا تساوي الكهروسالبية

طاقة التأين قياس تجريبي لنزع إلكترون من نوع غازي محدد، أما الكهروسالبية فهي مقياس لسحب الكثافة داخل رابطة؛ يرتبطان لكنهما ليسا الكمية نفسها.

الوحدات والتفسير

تُعطى القيم عادة kJ mol⁻¹ أو eV لكل جسيم. تحويل الوحدات لا يغير الفيزياء، لكن المقارنة يجب أن تستخدم تعريف الخطوة نفسها.

من eV إلى kJ mol⁻¹

كل 1 eV لكل جسيم يقابل نحو 96.5 kJ mol⁻¹. يفيد ذلك في ربط القياسات الذرية بمقاييس الطاقة الكيميائية المولية.

الاسترخاء بعد النزع

عندما يخرج إلكترون تعيد الإلكترونات الباقية ترتيب كثافتها. لذلك لا تمثل طاقة التأين مجرد «طاقة مدار» ثابتة قبل العملية، بل فرق طاقة بين حالتين متعددتي الإلكترونات.

تمارين محلولة

Mg

لماذا توجد قفزة كبيرة بين IE₂ وIE₃ للمغنيسيوم؟

Be وB

أيّهما تتوقع أن تكون IE₁ له أقل، Be أم B؟

Fe²⁺

من أي مدار تُنزع إلكترونات الحديد أولًا لتكوين Fe²⁺؟

الوحدات

حوّل 7.0 eV لكل ذرة تقريبًا إلى kJ mol⁻¹.