Năng lượng ion hóa

Năng lượng ion hóa thứ nhất được định nghĩa cho nguyên tử khí

Quá trình là X(g) → X⁺(g)+e⁻, loại electron liên kết yếu nhất khỏi nguyên tử khí trung hòa ở trạng thái cơ bản. Đơn vị thường là kJ mol⁻¹ hoặc eV trên hạt.

Qua một chu kỳ, electron nhìn chung bị giữ mạnh hơn

Từ trái sang phải, Z tăng trong khi electron hóa trị mới đi vào cùng lớp chính. Che chắn cùng lớp không hoàn toàn làm Z_eff tăng và orbital co lại, nên năng lượng ion hóa thứ nhất nhìn chung tăng.

B và O cho thấy chi tiết orbital rất quan trọng

Be → B

Be có 2s², còn B có 2s²2p¹. Electron 2p cao năng lượng hơn và xuyên thấu kém hơn 2s, nên dễ tách hơn dù B có điện tích hạt nhân lớn hơn.

N → O

N có ba orbital 2p mỗi orbital một electron; electron thứ tư của O phải ghép đôi. Lực đẩy trong cùng orbital làm một electron dễ bị tách hơn, nên IE₁(O) thấp hơn một chút so với N.

Xuống một nhóm, electron ngoài xa hơn và bị che chắn mạnh hơn

Electron hóa trị đi vào lớp n lớn hơn và có thêm electron lõi. Khoảng cách và che chắn thường thắng phần Z tăng, nên năng lượng ion hóa thứ nhất thường giảm xuống nhóm.

Năng lượng ion hóa liên tiếp bộc lộ cấu trúc lớp

Sau mỗi lần mất electron, ion dương giữ các electron còn lại mạnh hơn, nên IE₂>IE₁ và IE₃>IE₂. Một bước nhảy rất lớn thường báo hiệu bắt đầu lấy electron từ lõi vỏ kín.

Năng lượng ion hóa và quang phổ quang electron nhìn cùng một vật lý

Quang phổ quang electron dùng photon đã biết năng lượng để bật electron ra và suy ra năng lượng liên kết từ động năng. IE₁ liên hệ mức chiếm yếu nhất, còn toàn phổ cho thấy cả các lớp sâu hơn.

Năng lượng ion hóa khác độ âm điện

Năng lượng ion hóa là năng lượng tách electron của hạt khí cô lập; độ âm điện là thang mô tả lực hút mật độ electron trong liên kết. Hai đại lượng có xu hướng liên quan nhưng không thể thay thế nhau.

Năng lượng ion hóa có thang năng lượng quang phổ trực tiếp

1 eV/hạt ≈ 96,485 kJ mol⁻¹. Quang ion hóa bắt đầu khi hν=hc/λ đạt ngưỡng; năng lượng ion hóa càng lớn thì tần số ngưỡng càng cao và bước sóng ngưỡng càng ngắn.

Đọc ý nghĩa 4s và 3d trước khi dùng ký hiệu

Con số: 3 hoặc 4

Con số là số lượng tử chính n. 4s thuộc n=4, 3d thuộc n=3. n lớn hơn thường cho thang không gian lớn hơn, nhưng trong nguyên tử nhiều electron năng lượng không chỉ do n quyết định.

Chữ cái: s hoặc d

Chữ cái là phân lớp. s có 1 orbital, tối đa 2 electron; d có 5 orbital, tối đa 10 electron, với động lượng góc và phân bố không gian khác nhau.

Vì sao 4s điền trước 3d

Khi xây dựng K và Ca từ lõi Ar, trạng thái 4s trống hơi thấp hơn 3d trống: K:[Ar]4s¹, Ca:[Ar]4s², Sc:[Ar]3d¹4s². [Ar] viết tắt cho 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

Khi 3d được chiếm, thứ tự năng lượng thay đổi

Thứ tự điền không phải một thang năng lượng bất biến. Khi 3d bắt đầu được chiếm, đẩy electron, che chắn và co orbital làm 3d ổn định hơn tương đối, còn 4s vẫn phân bố xa hơn.

Fe thường viết [Ar]3d⁶4s²; tạo Fe²⁺ bằng cách mất hai electron 4s trước, rồi Fe³⁺ mất thêm một electron 3d.

Liên hệ với năng lượng ion hóa

Mỗi lần tách electron, các orbital còn lại thư giãn và đổi năng lượng. Vì ns và (n−1)d gần nhau ở kim loại chuyển tiếp, không thể máy móc xóa ký hiệu “viết sau cùng” trong cấu hình.

Bài tập: vanadi

V có cấu hình [Ar]3d³4s². Dự đoán V²⁺?

Năng lượng ion hóa giới hạn nhưng không tự quyết định trạng thái oxi hóa

Bước nhảy lớn trong chuỗi ion hóa chỉ ra lõi kín, nhưng trạng thái oxi hóa thật trong hợp chất phụ thuộc cân bằng năng lượng toàn phản ứng. Năng lượng mạng, liên kết và solvat hóa có thể bù một phần chi phí ion hóa.

Giá trị đo là dữ liệu quang phổ, không phải số được ép theo mũi tên xu hướng

Năng lượng ion hóa được xác định từ ngưỡng quang ion hóa và quang phổ nguyên tử. Những lệch khỏi xu hướng đơn giản là thông tin về cấu trúc electron; Be/B và N/O buộc mô hình phải xét phân lớp và ghép đôi.

Bài tập

Be hay B

Nguyên tố nào có IE₁ thấp hơn?

N hay O

Vì sao O có IE₁ hơi thấp hơn N dù Z lớn hơn?

Ion hóa liên tiếp

Bước nhảy lớn giữa IE₂ và IE₃ gợi ý điều gì?