עבריתHE⌄
אנרגיית יינון
אנרגיית יינון היא האנרגיה הדרושה להסרת אלקטרון מאטום או יון במצב גזי. אנרגיית היינון הראשונה משקפת את קשירת אלקטרון הערכיות, וסדרת יינונים עוקבים חושפת מתי עוברים מאלקטרוני ערכיות לליבה. החריגות למגמה המחזורית מלמדות על תתי־קליפות, זיווג וסידור 4s/3d.
הגדרה ומדידה
התגובה X(g)→X⁺(g)+e⁻ דורשת אנרגיה ולכן ערך היינון מוגדר חיובי. בניסויים מזהים את סף האנרגיה שבו מתחילה פליטת אלקטרונים.
יינון ראשון ועוקב
IE₁ מסיר אלקטרון מהאטום הנייטרלי, IE₂ מהקטיון החד־חיובי וכן הלאה. בכל שלב המין הכימי שונה ולכן האנרגיות בדרך כלל עולות.
מדוע מצב גזי
בגז מבודדים את תכונת האטום או היון מאנרגיות סריג וממס. במוצק או בתמיסה תקציב האנרגיה כולל תהליכים נוספים.
המגמה המחזורית
בדרך כלל קשה יותר להסיר אלקטרון לאורך מחזור וקל יותר במורד קבוצה, בגלל Z_eff, מיסוך ומרחק.
לאורך מחזור
Z_eff גדל בדרך כלל בעוד אלקטרוני הערכיות נשארים באותה קליפה ראשית, ולכן IE₁ נוטה לעלות.
במורד קבוצה
n והמרחק גדלים וגם המיסוך מתחזק. האלקטרון החיצוני קשור פחות חזק ולכן IE₁ נוטה לרדת.
חריגות בעלות משמעות
העקומה אינה חלקה מפני שאנרגיות תתי־קליפות ודחייה בתוך זוג אלקטרונים יכולים להתגבר מקומית על המגמה.
Be לעומת B
ב־B האלקטרון החיצוני נמצא ב־2p, אורביטל גבוה אנרגטית ופחות חודר מ־2s המלא ב־Be; לכן IE₁ של B יכולה להיות נמוכה יותר.
N לעומת O
N הוא 2p³ חצי־מלא, בעוד שב־O מתחיל זיווג באחד מאורביטלי p. הדחייה בתוך הזוג מקלה מעט על הסרת אלקטרון מ־O.
יינונים עוקבים
קפיצה גדולה בסדרה מצביעה על מעבר מאלקטרוני ערכיות לאלקטרון ליבה קרוב יותר לגרעין.
קפיצה אחרי הערכיות
ביסוד מקבוצה 2 שני היינונים הראשונים מסירים אלקטרוני ערכיות, ואז IE₃ קופצת מפני שהיון כבר בעל ליבה דמוית גז אציל.
קריאת סדרת ערכים
חפשו את שינוי סדר הגודל ולא רק מספר בודד. מקום הקפיצה נותן מידע ישיר על מספר אלקטרוני הערכיות ביסודות הקבוצות הראשיות.
מתכות מעבר ו־4s/3d
סדר האכלוס של האטום הנייטרלי אינו בהכרח סדר ההסרה מן היון. אנרגיות האורביטלים משתנות עם המטען והאכלוס.
K → Ca → Sc
ב־K וב־Ca מתמלא 4s לפני 3d; ב־Sc מתחיל אכלוס 3d. הקרבה באנרגיה בין 4s ו־3d הופכת את הסדר לרגיש לקונפיגורציה.
מדוע 4s יוצא ראשון
לאחר אכלוס 3d ובמהלך יינון, 3d מתכווץ ונקשר יחסית חזק יותר בעוד 4s נשאר חיצוני יותר. לכן במקרים רבים מסירים קודם את 4s.
Fe → Fe²⁺ → Fe³⁺
Fe ניטרלי נכתב [Ar]3d⁶4s². יצירת Fe²⁺ מסירה תחילה את שני אלקטרוני 4s ונותנת בקירוב [Ar]3d⁶; Fe³⁺ נותן [Ar]3d⁵ חצי־מלא.
משמעות כימית
אנרגיית יינון מסבירה נטייה ליצירת קטיונים, אך אינה לבדה קובעת תגובה או מצב חמצון יציב.
מתכות אלקליות
IE₁ נמוכה יחסית מאפשרת לאלקטרון ns¹ להיאבד בקלות כאשר אנרגיית הסריג או ההידרציה מפצה על העלות, ולכן +1 נפוץ.
לא אלקטרושליליות
אנרגיית יינון היא אנרגיה מדידה להסרת אלקטרון ממין גזי; אלקטרושליליות היא סולם למשיכת צפיפות בתוך קשר. יש קשר בין המושגים אך הם אינם זהים.
יחידות ופירוש
נהוג להשתמש ב־kJ mol⁻¹ או eV לחלקיק. ההמרה מחברת בין ספקטרוסקופיה אטומית לתרמודינמיקה כימית.
eV ל־kJ mol⁻¹
1 eV לחלקיק הוא בערך 96.5 kJ mol⁻¹. חשוב להשוות תמיד את אותו שלב יינון ולא לערבב IE₁ עם IE₂.
רלקסציה לאחר ההסרה
כאשר אלקטרון יוצא, האלקטרונים הנותרים מסתדרים מחדש. לכן אנרגיית יינון היא הפרש בין שתי מצבים רב־אלקטרוניים ולא פשוט "אנרגיית אורביטל" קפואה.
הערך הנמדד הוא הפרש אנרגיה בין שני מצבים רב־אלקטרוניים מלאים. לכן אין לזהות באופן כללי את מינוס אנרגיית האורביטל עם אנרגיית היינון. לאחר הוצאת אלקטרון האורביטלים הנותרים נרגעים ומשנים צורה ואנרגיה, אפקט חשוב במיוחד במתכות מעבר שבהן 4s ו־3d קרובים באנרגיה.
תרגילים פתורים
Mg
מדוע יש קפיצה גדולה בין IE₂ ל־IE₃ של מגנזיום?
פתרון
לאחר הסרת שני אלקטרוני 3s מתקבל Mg²⁺ עם ליבה [Ne]; האלקטרון הבא הוא אלקטרון ליבה הקשור הרבה יותר.
Be ו־B
למי צפויה IE₁ נמוכה יותר, Be או B?
פתרון
ל־B יכולה להיות IE₁ נמוכה יותר כי האלקטרון החיצוני ב־2p גבוה אנרגטית ופחות חודר מאשר 2s ב־Be.
Fe²⁺
מאיזה אורביטל מוסרים אלקטרונים ראשונים ביצירת Fe²⁺?
פתרון
מ־4s, אף ש־4s התמלא לפני 3d באטום הנייטרלי; סדר האנרגיות משתנה עם האכלוס והיינון.
יחידות
המירו בקירוב 7.0 eV לאטום ל־kJ mol⁻¹.
פתרון
7.0×96.5≈676 kJ mol⁻¹.