Energi ionisasi

Energi ionisasi adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom atau ion terisolasi dalam fase gas. Tren dan pengecualian hanya masuk akal bila Z_eff, energi orbital, perisai, dan pemasangan elektron dipertimbangkan bersama.

Ionisasi adalah proses pemisahan endotermik. Definisi atom menggunakan partikel fase gas terisolasi agar efek pelarut, kisi, dan ikatan tidak ikut tercampur.

Energi ionisasi pertama didefinisikan untuk atom gas

Prosesnya adalah X(g) → X⁺(g)+e⁻, yaitu melepaskan elektron yang paling lemah terikat dari atom gas netral keadaan dasar. Satuan umum adalah kJ mol⁻¹ atau eV per partikel.

Sepanjang periode, elektron umumnya terikat lebih kuat

Dari kiri ke kanan, Z bertambah sementara elektron valensi baru masuk ke kulit utama yang sama. Perisai sekulit tidak sempurna sehingga Z_eff meningkat dan orbital menyusut; energi ionisasi pertama umumnya naik.

Tren tidak berupa garis mulus. Penurunan pada B dan O berasal dari energi subkulit dan tolakan akibat pemasangan elektron.

B dan O menunjukkan pentingnya detail orbital

Be → B

Be berakhir pada 2s², sedangkan B pada 2s²2p¹. Elektron 2p lebih tinggi energinya dan kurang menembus daripada 2s, sehingga lebih mudah dilepas walaupun B mempunyai muatan inti lebih besar.

N → O

N mempunyai tiga orbital 2p yang terisi tunggal. Elektron 2p keempat pada O harus berpasangan, dan tolakan dalam orbital yang sama membuat salah satu elektron lebih mudah dilepas. Karena itu IE₁(O) sedikit lebih rendah daripada N.

Ke bawah golongan, elektron luar lebih jauh dan lebih tersaring

Elektron valensi masuk ke kulit n yang lebih besar dan di dalamnya ada lebih banyak elektron inti. Jarak dan perisai biasanya mengalahkan kenaikan Z, sehingga energi ionisasi pertama cenderung menurun ke bawah golongan.

Energi ionisasi berturut-turut mengungkap struktur kulit

Setelah tiap elektron dilepas, ion menjadi lebih positif dan mengikat elektron tersisa lebih kuat, sehingga IE₂>IE₁ dan IE₃>IE₂. Lompatan sangat besar biasanya menandai awal pengambilan elektron dari inti kulit tertutup.

Mg melonjak besar pada IE₃. Dua elektron pertama adalah valensi 3s; yang ketiga berasal dari inti mirip Ne.

Energi ionisasi dan spektroskopi fotoelektron mengamati fisika yang terkait

Spektroskopi fotoelektron menggunakan foton berenergi diketahui untuk mengeluarkan elektron dan menghitung energi ikat dari energi kinetiknya. IE₁ berkaitan dengan tingkat terisi yang paling lemah terikat, sedangkan spektrum penuh menunjukkan kulit yang lebih dalam.

Energi ionisasi berbeda dari keelektronegatifan

Energi ionisasi adalah energi melepaskan elektron dari partikel gas terisolasi; keelektronegatifan adalah skala untuk tarikan terhadap kerapatan elektron dalam ikatan. Keduanya sering berkorelasi, tetapi tidak dapat saling menggantikan.

Energi ionisasi memiliki skala energi spektroskopik langsung

1 eV/partikel ≈ 96,485 kJ mol⁻¹. Fotoionisasi mulai terjadi saat hν=hc/λ mencapai ambang; energi ionisasi lebih tinggi berarti frekuensi ambang lebih tinggi dan panjang gelombang ambang lebih pendek.

Baca arti 4s dan 3d sebelum menggunakan notasinya

Angka: 3 atau 4

Angka adalah bilangan kuantum utama n. 4s berada pada n=4 dan 3d pada n=3. n lebih besar biasanya memberi skala ruang lebih besar, tetapi energi atom banyak-elektron tidak ditentukan oleh n saja.

Huruf: s atau d

Huruf menunjukkan subkulit. s memiliki 1 orbital dengan maksimal 2 elektron; d memiliki 5 orbital dengan maksimal 10 elektron, dengan momentum sudut dan distribusi ruang berbeda.

Mengapa 4s terisi sebelum 3d

Saat membangun K dan Ca dari inti Ar, keadaan 4s kosong sedikit lebih rendah daripada 3d kosong: K:[Ar]4s¹, Ca:[Ar]4s², Sc:[Ar]3d¹4s². [Ar] adalah singkatan 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Setelah 3d mulai terisi, urutan energi berubah

Urutan pengisian bukan tangga energi yang permanen. Ketika 3d ditempati, tolakan, perisai, dan kontraksi orbital mengubah energi relatif 3d dan 4s; 3d yang terisi menjadi relatif lebih stabil sementara 4s tetap lebih luar.

“4s terisi lebih dulu” dan “4s terionisasi lebih dulu” tidak bertentangan. Keduanya berlaku pada kondisi pengisian yang berbeda.

Fe biasanya ditulis [Ar]3d⁶4s²; Fe²⁺ terbentuk dengan melepas dua elektron 4s terlebih dahulu, lalu Fe³⁺ melepas satu elektron 3d lagi.

Hubungan dengan energi ionisasi

Setiap kali elektron dilepas, orbital tersisa mengalami relaksasi. Karena ns dan (n−1)d berdekatan energinya pada logam transisi, kita tidak boleh sekadar menghapus simbol yang “ditulis terakhir” dalam konfigurasi.

Latihan: vanadium

V memiliki [Ar]3d³4s². Apa konfigurasi V²⁺ yang diharapkan?

Penyelesaian

Dua elektron 4s dilepas lebih dulu, sehingga V²⁺:[Ar]3d³. Fakta bahwa 4s terisi lebih dulu pada atom netral tidak berarti 3d harus dilepas lebih dulu saat ionisasi.

Energi ionisasi membatasi tetapi tidak sendiri menentukan keadaan oksidasi

Lompatan besar pada ionisasi berturut-turut menunjukkan inti tertutup, tetapi keadaan oksidasi nyata dalam senyawa ditentukan oleh neraca energi reaksi total. Energi kisi, pembentukan ikatan, dan solvasi dapat mengimbangi sebagian biaya ionisasi.

Nilai terukur adalah data spektroskopi, bukan angka yang dipaksa mengikuti panah tren

Energi ionisasi ditetapkan dari ambang fotoionisasi dan evaluasi spektrum atom. Penyimpangan dari tren sederhana adalah informasi tentang struktur elektron; perbandingan Be/B dan N/O memaksa model memasukkan energi subkulit dan tolakan pasangan.

Latihan

Be atau B

Mana yang memiliki IE₁ lebih rendah?

Penyelesaian

B. Elektron terluarnya 2p¹ lebih tinggi energinya dan kurang menembus daripada elektron 2s pada Be, sehingga lebih mudah dilepas.

N atau O

Mengapa O memiliki IE₁ sedikit lebih rendah daripada N walaupun Z lebih besar?

Penyelesaian

Pada O satu orbital 2p berisi pasangan elektron; tolakan dalam orbital yang sama membuat satu elektron lebih mudah dilepas dibanding konfigurasi 2p³ setengah terisi pada N.

Ionisasi berturut-turut

Apa arti lompatan besar antara IE₂ dan IE₃?

Penyelesaian

Biasanya ada dua elektron valensi yang relatif mudah dilepas; pelepasan ketiga mulai mengambil elektron dari inti yang jauh lebih kuat terikat.