Energia jonizacji
Pierwsza energia jonizacji jest energią potrzebną do usunięcia elektronu z izolowanego atomu w fazie gazowej: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Proces wymaga energii, więc energia jonizacji jest dodatnia. To precyzyjnie zdefiniowana wielkość, a nie ogólny „opór atomu przed reakcją”.
Trend w poprzek okresu
W poprzek okresu ładunek jądra rośnie, a elektrony walencyjne pozostają w tej samej głównej powłoce. Ekranowanie w obrębie powłoki jest niepełne, więc Z_eff zwykle rośnie, orbitale się kurczą i usunięcie elektronu wymaga większej energii.
Trend nie jest idealnie gładki. Szczegóły podpowłok i parowania tworzą odchylenia, które zawierają informację o strukturze elektronowej.
Dlaczego B ma niższą IE niż Be
Beryl ma konfigurację 1s²2s², a w borze usuwany elektron pochodzi z nowej podpowłoki 2p. Elektron 2p jest wyżej energetycznie i mniej penetrujący niż 2s, dlatego mimo większego Z bor jest nieco łatwiejszy do jonizacji.
To klasyczny przykład pokazujący, że trend okresowy nie może być wyjaśniany samym wzrostem liczby protonów. Należy uwzględnić rodzaj orbitalu i ekranowanie.
Przelicz eV na kJ/mol
Dlaczego O ma niższą IE niż N
Azot ma półzapełnione 2p³ z trzema pojedynczo obsadzonymi orbitalami. W tlenie 2p⁴ jeden z orbitali zawiera już parę elektronów, a dodatkowe odpychanie w parze ułatwia usunięcie jednego z nich.
Dlatego pierwsza energia jonizacji tlenu jest niższa niż azotu, mimo że ogólny trend w prawo jest rosnący. Reguła Hunda i parowanie wyjaśniają lokalne załamanie wykresu.
W dół grupy elektron jest dalej
Dodanie nowej głównej powłoki zwiększa średnią odległość elektronu walencyjnego od jądra i ekranowanie przez elektrony wewnętrzne. Pierwsza energia jonizacji dlatego zazwyczaj maleje w dół grupy.
Większy Z nie wystarcza, aby odwrócić ten trend, ponieważ przyciąganie kulombowskie silnie zależy od odległości, a nowe powłoki ekranowane są przez poprzednie.
Kolejne energie jonizacji ujawniają powłoki
Po usunięciu pierwszego elektronu można usuwać następne. Każda kolejna jonizacja jest zwykle trudniejsza, a bardzo duży skok pojawia się po usunięciu wszystkich elektronów walencyjnych, gdy kolejny elektron trzeba wyrwać z zamkniętej powłoki wewnętrznej.
Na przykład dla pierwiastka głównej grupy z jednym elektronem walencyjnym IE₂ jest ogromnie większa od IE₁. Dla metali przejściowych interpretacja jest subtelniejsza, ponieważ orbitale ns i (n−1)d są bliskie energetycznie.
Przykłady rozwiązane
1. 5,00 eV na atom
Rozwiązanie
5,00 × 96,485 = 482,4 kJ/mol.
2. Be czy B?
Rozwiązanie
B ma niższą pierwszą energię jonizacji: usuwany elektron 2p jest wyżej energetycznie i mniej penetrujący niż elektron 2s w Be.
3. N czy O?
Rozwiązanie
O ma niższą IE₁, ponieważ w 2p⁴ pojawia się para elektronowa; usunięcie jednego z pary zmniejsza odpychanie.