Энергия ионизации - Ionization energy

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью от добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: "Энергия ионизации"  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Сентябрь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) эта статья отсутствует информация о расчетах энергии ионизации. Пожалуйста, разверните статью, чтобы включить эту информацию. Более подробная информация может содержаться на страница обсуждения. (Сентябрь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Периодические тренды энергии ионизации в зависимости от атомный номер. В каждом из семи периодов энергия ионизации минимальна для первого столбца периодической таблицы ( щелочных металлов ) и увеличивается до максимума для последнего столбца ( благородные газы ). Максимальная энергия ионизации уменьшается от первой до последней строки в данном столбце из-за увеличения расстояния внешней электронной оболочки от ядра по мере добавления внутренних оболочек.

В физика и химия, энергия ионизации (Американский английский орфография) или энергия ионизации (Британский английский орфография) - это минимальное количество энергии, необходимое для удаления наиболее слабо связанного электрон изолированного нейтрального газообразного атом или молекула.^[1] Количественно это выражается как

X (г) + энергия ⟶ X⁺(г) + е⁻

где X - любой атом или молекула, X⁺ - ион с удаленным одним электроном, а e⁻ удаленный электрон.^[2] Обычно это эндотермический процесс. Как правило, чем ближе крайние электроны к ядро атома, тем выше энергия ионизации атома.

Физические и химические науки используют разные единицы для энергии ионизации.^[3] В физике единицей измерения является количество энергии, необходимое для удаления одного электрона из отдельного атома или молекулы, выраженное как электронвольт. В химии единицей измерения является количество энергии, необходимое для всех атомов в моль вещества потерять по одному электрону каждый: молярная энергия ионизации или приблизительно энтальпия, выраженный как килоджоули на моль (кДж / моль) или килокалории на моль (ккал / моль).^[4]

Сравнение энергий ионизации атомов в периодическая таблица показывает два периодические тенденции которые следуют правилам Кулоновское притяжение:^[5]

1. энергия ионизации обычно увеличивается слева направо в пределах заданного период (то есть ряд).
2. энергия ионизации обычно уменьшается сверху вниз в данном группа (то есть столбец).

Последняя тенденция является следствием внешнего электронная оболочка постепенно удаляясь от ядра, с добавлением одной внутренней оболочки в ряд по мере движения вниз по столбцу.

В пэнергия ионизации относится к количеству энергии, необходимому для удаления электрона из частиц, имеющих заряд (п-1). Например, первые три энергии ионизации определяются следующим образом:

1-я энергия ионизации - это энергия, при которой происходит реакция X ⟶ X⁺ + е⁻

2-я энергия ионизации - это энергия, которая обеспечивает реакцию X⁺ ⟶ X²⁺ + е⁻

Третья энергия ионизации - это энергия, при которой происходит реакция X²⁺ ⟶ X³⁺ + е⁻

Период, термин потенциал ионизации это старое название энергии ионизации,^[6] поскольку самый старый метод измерения энергии ионизации был основан на ионизации образца и ускорении удаляемого электрона с помощью электростатический потенциал. Однако сейчас этот термин считается устаревшим.^[7]

Наиболее заметные факторы, влияющие на энергию ионизации, включают:

• Электронная конфигурация: это составляет IE большинства элементов, так как все их химические и физические характеристики могут быть установлены просто путем определения их соответствующей электронной конфигурации.
• Ядерный заряд: если ядерный заряд (атомный номер ) больше, электроны более плотно удерживаются ядром и, следовательно, энергия ионизации будет больше.
• Количество электронные оболочки: если размер атома больше из-за наличия большего количества оболочек, электроны удерживаются ядром менее плотно и энергия ионизации будет меньше.
• Эффективный ядерный заряд (Z_эфф): если величина электрона защита и проникновение больше, электроны менее плотно удерживаются ядром, Z_эфф электрона и энергия ионизации меньше.^[8]
• Тип орбитальный ионизированный: атом, имеющий более стабильный электронная конфигурация имеет меньшую тенденцию к потере электронов и, следовательно, имеет более высокую энергию ионизации.
• Электронная занятость: если занята самая высокая орбитальный вдвойне занята, то легче удалить электрон.

Другие второстепенные факторы включают:

• Релятивистские эффекты: более тяжелые элементы (особенно те, чьи атомный номер больше 70), так как их электроны приближаются к скорости света и, следовательно, имеют меньший атомный радиус / более высокий IE.
• Сокращение лантаноидов и актинидов (и сжатие скандидов): беспрецедентное сжатие элементов влияет на энергию ионизации, поскольку чистый заряд ядра ощущается сильнее.
• Энергии электронных пар и обменять энергию: они будут учитывать только полностью заполненные и наполовину заполненные орбитали. Распространенное заблуждение состоит в том, что «симметрия» играет роль; хотя до сих пор никто не завершил свои доказательства.

Определение энергии ионизации

Аппарат для измерения энергии ионизации.

Энергия ионизации атомов, обозначенная E_я, измеряется^[9] найдя минимальную энергию световых квантов (фотоны ) или электроны, ускоренные до известной энергии, которая выбьет наименее связанные атомные электроны. Измерение проводится в газовой фазе на отдельных атомах. В то время как только благородные газы встречаются в виде одноатомных газов, другие газы можно разделить на отдельные атомы.^{[нужна цитата ]} Кроме того, многие твердые элементы можно нагреть и испарить до отдельных атомов. Одноатомный пар содержится в предварительно откачанной трубке, которая имеет два параллельных электрода, подключенных к источнику напряжения. Ионизирующее возбуждение вводится через стенки трубки или создается внутри.

Когда используется ультрафиолетовый свет, длина волны снижается до ультрафиолетового диапазона. При определенной длине волны (λ) и частоте света (ν = c / λ, где c - скорость света) световые кванты, энергия которых пропорциональна частоте, будут иметь энергию, достаточно высокую, чтобы вытеснить наименее связанные электроны. . Эти электроны будут притягиваться к положительному электроду, а положительные ионы, оставшиеся после фотоионизация будут притягиваться к отрицательно заряженному электроду. Эти электроны и ионы создают ток через трубку. Энергия ионизации будет энергией фотонов hν_я (час это Постоянная Планка ), что вызвало резкое повышение тока: E_я=hν_я.

Когда для ионизации атомов используются высокоскоростные электроны, они производятся электронная пушка внутри аналогичной откачанной трубки. Энергией электронного пучка можно управлять с помощью ускоряющих напряжений. Энергия этих электронов, которая вызывает резкое возникновение тока ионов и освобождаемых электронов через трубку, будет соответствовать энергии ионизации атомов.

Ценности и тенденции

Как правило, (п+1) энергия ионизации конкретного элемента больше, чем пэнергия ионизации. Когда следующая энергия ионизации включает удаление электрона из той же электронной оболочки, увеличение энергии ионизации в первую очередь связано с увеличением суммарного заряда иона, из которого удаляется электрон. Электроны, удаленные от более заряженных ионов, испытывают большие силы электростатического притяжения; таким образом, для их удаления требуется больше энергии. Вдобавок, когда следующая энергия ионизации включает удаление электрона из нижней электронной оболочки, значительно уменьшенное расстояние между ядром и электроном также увеличивает как электростатическую силу, так и расстояние, на котором эта сила должна быть преодолена, чтобы удалить электрон. Оба эти фактора дополнительно увеличивают энергию ионизации.

Некоторые значения элементов третьего периода приведены в следующей таблице:

Большие скачки последовательных молярных энергий ионизации происходят при прохождении благородный газ конфигурации. Например, как можно увидеть в таблице выше, первые две молярные энергии ионизации магния (отрыв двух 3s-электронов от атома магния) намного меньше, чем третья, что требует оторвать 2p-электрон от атома магния. неон конфигурация Mg²⁺. Этот электрон гораздо ближе к ядру, чем 3s-электрон, удаленный ранее.

Пик энергии ионизации благородных газов приходится на конец каждого периода в периодической таблице элементов и, как правило, падает, когда начинается заполнение новой орбитали.

Энергия ионизации также периодическая тенденция в периодической таблице. Перемещение слева направо внутри период, или вверх в пределах группа, первая энергия ионизации обычно увеличивается,^[10] за исключениями, такими как алюминий и сера, указанные в таблице выше. Поскольку ядерный заряд ядра увеличивается через период, электронная защита остается постоянным, поэтому радиус атома уменьшается, и электронное облако становится ближе к ядру^[11] потому что электроны, особенно самые дальние из них, удерживаются более сильным зарядом ядра. Точно так же при движении вверх внутри данной группы электроны удерживаются на орбиталях с более низкой энергией, ближе к ядру и, следовательно, более тесно связаны.^[12]

Исключения по энергии ионизации

Есть исключения из общей тенденции повышения энергии ионизации в течение определенного периода. Например, значение уменьшается с бериллий ( 
₄Быть
: 9,3 эВ) до бор ( 
₅B
: 8,3 эВ), а от азот ( 
₇N
: 14,5 эВ) до кислород ( 
₈О
: 13,6 эВ). Эти провалы можно объяснить с точки зрения электронных конфигураций.^[13]

Добавленный электрон в р-орбитальный ясно видно.

Последний электрон бора находится на 2p-орбитали, электронная плотность которой в среднем находится дальше от ядра, чем 2s-электроны в той же оболочке. Затем 2s-электроны в некоторой степени экранируют 2p-электрон от ядра, и легче удалить 2p-электрон из бора, чем 2s-электрон из бериллия, что приводит к более низкой энергии ионизации B.^[2]

Эти электронные конфигурации не показывают полных наполовину заполненных орбиталей. Посмотрим на следующее изображение.

Здесь добавленный электрон явно имеет спин, противоположный другим 2p-электронам, что снижает энергию ионизации кислорода.

В кислороде последний электрон делит дважды занятую p-орбиталь с электроном противоположной вращение. Два электрона на одной орбитали в среднем ближе друг к другу, чем два электрона на разных орбиталях, поэтому они более эффективно экранируют друг друга, и один из них легче удалить, что приводит к более низкой энергии ионизации.^[2][14]

Кроме того, после каждого элемента благородного газа энергия ионизации резко падает. Это происходит потому, что внешний электрон в щелочных металлов требует гораздо меньшего количества энергии для удаления из атома, чем внутренние оболочки. Это также приводит к низкому электроотрицательность значения для щелочных металлов.^[15][16][17]

Из-за одного p-орбитального электрона в галлий конфигурации, делает общую структуру менее устойчивой, следовательно, падение значений энергии ионизации^[18]

Актиний Электронная конфигурация России предопределяет, что для удаления этого единственного f-орбитального электрона потребуется меньше энергии, следовательно, даже если он имеет больший EC, радий все еще имеет более высокий IE^[19]

Тенденции и исключения резюмируются в следующих подразделах:

Энергия ионизации уменьшается при:

• Переход к новому периоду: щелочной металл легко теряет один электрон, чтобы оставить октет или псевдо-конфигурация благородного газа, поэтому эти элементы имеют только небольшие значения для IE.
• Переход от s-блока к p-блоку: p-орбиталь легче теряет электрон. Пример - бериллий в бор с электронной конфигурацией 1s² 2 с² 2p¹. 2s-электроны защищают 2p-электрон с более высокой энергией от ядра, облегчая его удаление. Это также происходит в магний к алюминий.^[20]
• Занимая p-подоболочку с ее первый электрон со спином, противоположным другим электронам: например, в азоте ( 
  ₇N
  : 14,5 эВ) в кислород ( 
  ₈О
  : 13,6 эВ), а также фосфор ( 
  ₁₅п
  : 10,48 эВ) до сера ( 
  ₁₆S
  : 10,36 эВ). Причина этого в том, что кислород, сера и селен имеют падающую энергию ионизации из-за эффектов экранирования.^[21] Однако это прекращается, начиная с теллур где экранирование слишком мало, чтобы образовать провал.
• Переход от d-блока к p-блоку: как и в случае с цинк ( 
  ₃₀Zn
  : 9,4 эВ) до галлий ( 
  ₃₁Ga
  : 6,0 эВ)

• Частный случай: уменьшение с вести ( 
  ₈₂Pb
  : 7,42 эВ) до висмут ( 
  ₈₃Би
  : 7,29 эВ). Это не связано с размерами (разница минимальная: свинец имеет ковалентный радиус 146 вечера в то время как висмут сейчас 148 часов^[22]). Это также нельзя отнести к релятивистской стабилизации орбитали 6s, поскольку этот фактор очень похож в двух соседних элементах. Другие факторы предполагают вопреки факту, что висмут должен иметь более высокий IE из-за его наполовину заполненной орбитали (добавление стабилизации), позиция в периодической таблице (Bi правее, поэтому он должен быть менее металлическим, чем Pb), и у него есть еще один протон (вносит вклад в [эффективный] заряд ядра).^[23]

• Частный случай: уменьшение с радий ( 
  ₈₈Ра
  : 5,27 эВ) до актиний ( 
  ₈₉Ac
  : 5,17 эВ), который является переключением с p-орбитали на f-орбиталь. Однако аналогичный переход от барий ( 
  ₅₆Ба
  : 5,2 эВ) до лантан ( 
  ₅₇Ла
  : 5,6 эВ) не показывает изменения в сторону уменьшения.

• Лютеций ( 
  ₇₁Лу
  ) и лоуренсий ( 
  ₁₀₃Lr
  ) оба имеют энергию ионизации ниже, чем предыдущие элементы. В обоих случаях добавлен последний электрон. запускает новую подоболочку: 5d для Lu с электронной конфигурацией [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6 с², и 7p для Lr с конфигурацией [Rn] 5f⁴ 7 с² 7p¹. Эти провалы в энергии ионизации с тех пор использовались в качестве доказательства в продолжающихся дебатах о том, следует ли помещать Lu и Lr в группу 3 периодической таблицы вместо лантан (La) и актиний (Ас).^[24][25][26]

Энергия ионизации увеличивается, когда:

• Достижение элементов группы 18 благородных газов: это связано с их полными электронными подоболочками,^[27] так что этим элементам требуется большое количество энергии для удаления одного электрона.
• Группа 12: Элементы здесь, цинк ( 
  ₃₀Zn
  : 9,4 эВ), кадмий ( 
  ₄₈Компакт диск
  : 9,0 эВ) и Меркурий ( 
  ₈₀Hg
  : 10,4 эВ) все регистрируют внезапное возрастание значений IE по сравнению с их предыдущими элементами: медь ( 
  ₂₉Cu
  : 7,7 эВ), Серебряный ( 
  ₄₇Ag
  : 7,6 эВ) и золото ( 
  ₇₉Au
  : 9,2 эВ) соответственно. Для ртути можно экстраполировать, что релятивистский стабилизация 6s-электронов увеличивает энергию ионизации в дополнение к плохому экранированию 4f-электронами, что увеличивает эффективный ядерный заряд на внешних валентных электронах. Кроме того, электронные конфигурации замкнутых подоболочек: [Ar] 3d¹⁰ 4 с², [Kr] 4d¹⁰5 с² и [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6 с² обеспечивают повышенную устойчивость.
• Особый случай: сдвиг с родий ( 
  ₄₅Rh
  : 7,5 эВ) до палладий ( 
  ₄₆Pd
  : 8,3 эВ). В отличие от других элементов группы 10, палладий имеет более высокую энергию ионизации, чем предыдущий атом, из-за его электронной конфигурации. В отличие от никель [Ar] 3d⁸ 4 с², и платина s [Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6 с¹, электронная конфигурация палладия [Kr] 4d¹⁰ 5 с⁰ (хотя Правило Маделунга предсказывает [Kr] 4d⁸ 5 с²). В заключение, Серебряный нижний IE ( 
  ₄₇Ag
  : 7,6 эВ) дополнительно подчеркивает высокую ценность палладия; единственный добавленный s-электрон удаляется с более низкой энергией ионизации, чем палладий,^[28] что подчеркивает высокий IE палладия (как показано в приведенных выше значениях IE в линейной таблице)
• ИП гадолиний ( 
  ₆₄Б-г
  : 6.15 эВ) несколько выше, чем оба предыдущих ( 
  ₆₂См
  : 5,64 эВ), ( 
  ₆₃ЕС
  : 5.67 эВ) и следующие элементы ( 
  ₆₅Tb
  : 5,86 эВ), ( 
  ₆₆Dy
  : 5,94 эВ). Эту аномалию можно отнести к полузаполненному 4f⁷ орбитальный.

• Переход к элементам d-блока: элементы Sc с 3d¹ электронная конфигурация имеет выше IP ( 
  ₂₁Sc
  : 6.56 эВ), чем предыдущий элемент ( 
  ₂₀Ca
  : 6,11 эВ), в отличие от уменьшения при переходе на s-блочные и p-блочные элементы. Электроны 4s и 3d обладают схожей защитной способностью: 3d-орбиталь образует часть оболочки n = 3, среднее положение которой ближе к ядру, чем 4s-орбиталь и оболочка n = 4, но электроны на s-орбиталях испытывают большее проникновение в оболочку ядра, чем электроны на d-орбиталях. Таким образом, взаимное экранирование 3d- и 4s-электронов является слабым, а эффективный заряд ядра, действующий на ионизированный электрон, относительно велик. Иттрий ( 
  ₃₉Y
  ) аналогично имеет более высокое IP (6,22 эВ), чем  
  ₃₈Sr
  : 5,69 эВ. Последние два д¹ элементы ( 
  ₅₇Ла
  : 5.18 эВ) и ( 
  ₈₉Ac
  : 5,17 эВ) имеют лишь немного более низкие IP, чем их предыдущие элементы ( 
  ₅₆Ба
  : 5.21 эВ) и ( 
  ₈₈Ра
  : 5,18 эВ).

• Переход к элементам f-блока; Как видно на приведенном выше графике энергий ионизации, резкий рост значений IE от ( 
  ₅₅CS
  ) к ( 
  ₅₇Ла
  ) сопровождается небольшим почти линейным увеличением по мере добавления f-электронов. Это связано с сокращение лантаноидов (для лантаноидов).^[29][30][31] Это уменьшение ионного радиуса связано с увеличением энергии ионизации, в свою очередь, увеличивается, поскольку два свойства соотносятся друг с другом.^[10] Что касается элементов d-блока, электроны добавляются во внутреннюю оболочку, так что новые оболочки не образуются. Форма добавленных орбиталей не позволяет им проникнуть в ядро, поэтому занимающие их электроны обладают меньшей защитной способностью.

Аномалии энергии ионизации в группах

Значения энергии ионизации имеют тенденцию уменьшаться при переходе к более тяжелым элементам в группе.^[32] поскольку защита обеспечивается большим количеством электронов, и в целом валентные оболочки испытывают более слабое притяжение со стороны ядра.^[12](приписывается большему ковалентному радиусу, который увеличивается при спуске по группе^[33]) Тем не менее, это не всегда так. В качестве единственного исключения палладий Группы 10 ( 
₄₆Pd
: 8,34 эВ) имеет более высокую энергию ионизации, чем никель ( 
₂₈Ni
: 7,64 эВ), в отличие от общего уменьшения для элементов из технеция  
₄₃Tc
к ксенону  
₅₄Xe
. Ниже приводится краткое описание таких аномалий:

• Группа 1:
  • Водород Энергия ионизации очень высока (13,59844 эВ) по сравнению с щелочными металлами. Это связано с его единственным электроном (и, следовательно, очень маленьким электронное облако ), которое близко к ядру. Точно так же, поскольку нет других электронов, которые могли бы вызвать экранирование, этот единственный электрон испытывает полный положительный заряд ядра.^[34]
  • Франций энергия ионизации выше, чем у предыдущего щелочной металл, цезий. Это связано с его (и радием) малым ионным радиусом из-за релятивистских эффектов. Из-за их большой массы и размера это означает, что его электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями, в результате чего электроны становятся ближе к ядру, чем ожидалось, и, следовательно, их труднее удалить (более высокий IE).^[35]
• Группа 2: Радий энергия ионизации, превышающая предыдущую щелочноземельный металл барий, как и франций, также возникает из-за релятивистских эффектов. Электроны, особенно 1s-электроны, испытывают очень высокоэффективные ядерные заряды. Чтобы избежать падения в ядро, 1s-электроны должны вращаться с очень высокими скоростями, что приводит к тому, что специальные релятивистские поправки существенно превышают приблизительные классические импульсы. Посредством принцип неопределенности, это вызывает релятивистское сжатие 1s-орбитали (и других орбиталей с электронной плотностью, близкой к ядру, особенно ns- и np-орбиталей). Следовательно, это вызывает каскад электронных изменений, который в конечном итоге приводит к сужению внешних электронных оболочек и их приближению к ядру.
• Группа 14:Свинец s ( 
  ₈₂Pb
  : 7,4 эВ) необычайно высокая энергия ионизации из-за включения не только 5d-электронов, но и 4f-электронов ( лантаноиды ). 4f-электроны довольно неэффективно экранируют ядро ​​от 6p-электронов, в результате чего эффективный заряд ядра оказывается достаточно высоким, до такой степени, что энергия ионизации для свинца на самом деле немного выше, чем у банка.^[36]
• Группа 4:
  • Гафний почти схожесть в IE, чем цирконий. Эффекты сокращения лантаноидов все еще ощущаются после лантаноидов.^[30] Это видно по меньшим атомным радиусам первого (что противоречит наблюдаемая периодическая тенденция ) в 159 часов вечера^[37] (эмпирическая ценность ), который отличается от 155 вечера последнего.^[38] Это, в свою очередь, увеличивает его энергию ионизации на 18 ± кДж / моль.⁻¹.
    • Титан IE, который меньше, чем у гафния и циркония. Энергия ионизации гафния подобна цирконию из-за сжатия лантаноида. Однако, почему энергия ионизации циркония выше, чем у предшествующего ему элемента, остается закрытым; мы не можем управлять атомными радиусами, так как на самом деле для циркония и гафния он выше на 15 мкм.^[39] Мы также не можем управлять конденсированный энергия ионизации, поскольку они более или менее одинаковы ([Ar] 3d² 4s² для титана, тогда как [Kr] 4d² 5s² для циркония). Кроме того, мы не можем сравнивать наполовину заполненные или полностью заполненные орбитали. Следовательно, мы можем исключить только циркониевые полный электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².^[40] Как видим, у него есть полноценный 3-й подуровень. Отсюда можно вывести, что полный подуровень 3d-блока мощь имеют гораздо большую эффективность экранирования по сравнению с элементами 4d-блока (которые состоят только из двух электронов).^[41]
• Группа 5: сродни группе 4, ниобий и тантал аналогичны друг другу из-за их электронной конфигурации и сжатия лантаноида, влияющего на последний элемент.^[42] Ipso facto, их значительный рост ИЭ по сравнению с ведущим элементом в группе, ванадий, могут быть объяснены наличием у них полного d-блока электронов в дополнение к их электронной конфигурации. Другая интригующая идея - это наполовину заполненная 5s орбиталь ниобия; за счет отталкивания и обмена энергии (другими словами, "расходы" для помещения электрона на низкоэнергетический подуровень, чтобы полностью заполнить его вместо помещения электрона на высокоэнергетический), преодолевая энергетический зазор между s- и d- (или f) блокирующими электронами, EC не следует принципу Маделунга правило.
• Группа 6: как и ее предшественники групп 4 и 5, группа 6 также показывает высокие значения при движении вниз. Вольфрам еще раз похож на молибден из-за их электронной конфигурации.^[43] Точно так же он также относится к полной 3d-орбитали в своей электронной конфигурации. Другой причиной является наполовину заполненная 4d орбиталь молибдена из-за парных энергий электронов, нарушающих принцип ауфбау.
• Группы 7-12 элементы 6 периода (рений, осмий, иридий, платина, золото и Меркурий ): Все эти элементы имеют чрезвычайно высокую энергию ионизации, чем предшествующий им элемент в соответствующих группах. Суть этого связана с влиянием сокращения лантаноидов на пост-лантаноиды в дополнение к релятивистской стабилизации орбитали 6s.
• Группа 13:
  • IE галлия выше, чем у алюминия. Это опять-таки связано с d-орбиталями, в дополнение к сжатию скандидов, которые обеспечивают слабую защиту и, следовательно, увеличивают эффективные ядерные заряды.
  • ИЭ таллия из-за плохой защиты 4f-электронов^[44] в дополнение к сокращению лантаноидов, вызывает усиление его ИЭ по сравнению с его предшественником индий.
• Группа 14: свинец с более высоким IE по сравнению с банка. Это связано, как и таллий группы IIIA, с плохой защитой от форбитального сокращения и сокращения лантаноидов.^[44]

Электростатическое объяснение

Энергию ионизации атома можно предсказать путем анализа с использованием электростатический потенциал и Модель Бора атома следующим образом (обратите внимание, что вывод использует Гауссовские единицы ).

Рассмотрим электрон с зарядом -е и атомное ядро ​​с зарядом + Ze, где Z - количество протонов в ядре. Согласно модели Бора, если электрон приблизится к атому и соединится с ним, он остановится на определенном радиусе а. Электростатический потенциал V на расстоянии а от ионного ядра, привязанного к бесконечно удаленной точке, составляет:

${ displaystyle V = { frac {Ze} {a}} , !}$

Поскольку электрон заряжен отрицательно, положительный электростатический потенциал втягивает его внутрь. Энергия, необходимая электрону, чтобы «вылезти» и покинуть атом, равна:

${ displaystyle E = eV = { frac {Ze ^ {2}} {a}} , !}$

Этот анализ неполный, так как он оставляет расстояние а как неизвестная переменная. Его можно сделать более строгим, присвоив каждому электрону каждого химического элемента характерное расстояние, выбранное таким образом, чтобы это соотношение согласовывалось с экспериментальными данными.

Эту модель можно значительно расширить, применив полуклассический подход, в котором импульс квантован. Этот подход очень хорошо работает для атома водорода, у которого есть только один электрон. Величина углового момента для круговой орбиты равна:

${ displaystyle L = | { boldsymbol {r}} times { boldsymbol {p}} | = rmv = n hbar}$

Полная энергия атома складывается из кинетической и потенциальной энергий, то есть:

${ displaystyle E = T + U = { frac {p ^ {2}} {2m _ { rm {e}}}} - { frac {Ze ^ {2}} {r}} = { frac { m _ { rm {e}} v ^ {2}} {2}} - { frac {Ze ^ {2}} {r}}}$

Скорость можно исключить из члена кинетической энергии, установив кулоновское притяжение равным центростремительной силе, давая:

${ displaystyle T = { frac {Ze ^ {2}} {2r}}}$

Решение углового момента для v и подставив это в выражение для кинетической энергии, мы имеем:

${ displaystyle { frac {n ^ {2} hbar ^ {2}} {rm _ { rm {e}}}} = Ze ^ {2}}$

Это устанавливает зависимость радиуса от п. Это:

${ Displaystyle г (п) = { гидроразрыва {п ^ {2} hbar ^ {2}} {Zm _ { rm {e}} e ^ {2}}}}$

Теперь энергию можно найти в терминах Z, е, и р. Используя новое значение кинетической энергии в приведенном выше уравнении полной энергии, было обнаружено, что:

${ displaystyle E = - { frac {Ze ^ {2}} {2r}}}$

При наименьшем значении п равно 1 и р это Радиус Бора а₀ что равно ${ displaystyle { frac { hbar ^ {2}} {я ^ {2}}}}$. Теперь уравнение для энергии можно составить через радиус Бора. Это даст результат:

${ displaystyle E = - { frac {1} {n ^ {2}}} { frac {Z ^ {2} e ^ {2}} {2a_ {0}}} = - { frac {Z ^ {2} 13,6 эВ} {n ^ {2}}}}$

Квантово-механическое объяснение

В этом разделе несколько вопросов. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта секция нуждается в расширении с: больше формул расчета энергии ионизации. Вы можете помочь добавляя к этому. (Сентябрь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Согласно более полной теории квантовая механика, расположение электрона лучше всего описать как распределение вероятностей в пределах электронное облако, т.е. атомная орбиталь.^[45][46]Энергию можно рассчитать интегрированием по этому облаку. Математическое представление облака - это волновая функция который построен из Детерминанты Слейтера состоящий из молекулярных спиновых орбиталей. Они связаны Принцип исключения Паули к антисимметричным продуктам атомарного или молекулярные орбитали.

Существует два основных способа расчета энергии ионизации. В общем, расчет для пэнергия ионизации требует расчета энергий ${ displaystyle Z-n + 1}$ и ${ displaystyle Z-n}$ электронные системы. Точно рассчитать эти энергии невозможно, за исключением простейших систем (например, водорода и водородоподобный элементов), в первую очередь из-за трудностей интеграции электронная корреляция термины. Поэтому обычно используются методы аппроксимации, при этом различные методы различаются по сложности (время вычислений) и точности по сравнению с эмпирическими данными. Эта проблема стала хорошо изученной и обычно решается в вычислительная химия. Второй способ вычисления энергий ионизации используется в основном на самом низком уровне приближения, где энергия ионизации определяется выражением Теорема Купманса, который включает в себя наивысшую занятую молекулярную орбиталь, или «ВЗМО», и самую низкую незанятую молекулярную орбиталь, или «НСМО», в котором говорится, что энергия ионизации атома или молекулы равна энергии орбитали, с которой выбрасывается электрон. Это означает, что энергия ионизации равна энергии ВЗМО, формальное уравнение которой равно: ${ displaystyle Ii = -Ei}$.^[47]

Энергия вертикальной и адиабатической ионизации в молекулах

Рисунок 1. Энергетическая диаграмма принципа Франка – Кондона. Для ионизации двухатомной молекулы единственной ядерной координатой является длина связи. Нижняя кривая - это кривая потенциальной энергии нейтральной молекулы, а верхняя кривая - для положительного иона с большей длиной связи. Синяя стрелка - вертикальная ионизация, здесь от основного состояния молекулы до уровня v = 2 иона.

Ионизация молекул часто приводит к изменению молекулярная геометрия, и определены два типа (первых) энергии ионизации - адиабатический и вертикальный.^[48]

Энергия адиабатической ионизации

В адиабатический энергия ионизации молекулы - это минимум количество энергии, необходимое для удаления электрона из нейтральной молекулы, то есть разница между энергией колебательный основное состояние нейтральных частиц (уровень v "= 0) и положительного иона (v '= 0). Конкретная геометрия равновесия каждой частицы не влияет на это значение.

Энергия вертикальной ионизации

Из-за возможных изменений в геометрии молекул, которые могут возникнуть в результате ионизации, могут существовать дополнительные переходы между основным колебательным состоянием нейтральных частиц и колебательный возбужденные состояния положительного иона. Другими словами, ионизация сопровождается колебательное возбуждение. Интенсивность таких переходов объясняется Принцип Франка – Кондона, который предсказывает, что наиболее вероятный и интенсивный переход соответствует колебательно-возбужденному состоянию положительного иона, имеющего ту же геометрию, что и нейтральная молекула. Этот переход называется «вертикальной» энергией ионизации, поскольку он представлен полностью вертикальной линией на диаграмме потенциальной энергии (см. Рисунок).

Для двухатомной молекулы геометрия определяется длиной одного связь. Удаление электрона из связи молекулярная орбиталь ослабляет связь и увеличивает длину связи. На рисунке 1 нижний кривая потенциальной энергии для нейтральной молекулы, а верхняя поверхность для положительного иона. Обе кривые изображают потенциальную энергию как функцию длины связи. Горизонтальные линии соответствуют колебательные уровни с их связанными колебательные волновые функции. Поскольку ион имеет более слабую связь, у него будет более длинная связь. Этот эффект представлен смещением минимума кривой потенциальной энергии вправо от нейтральных частиц. Адиабатическая ионизация - это диагональный переход в основное колебательное состояние иона. Вертикальная ионизация может включать колебательное возбуждение ионного состояния и, следовательно, требует большей энергии.

Во многих случаях адиабатическая энергия ионизации часто является более интересной физической величиной, поскольку она описывает разницу в энергии между двумя поверхностями потенциальной энергии. Однако из-за экспериментальных ограничений часто трудно определить энергию адиабатической ионизации, тогда как энергию вертикального отрыва легко идентифицировать и измерить.

Аналоги энергии ионизации для других систем

В то время как термин энергия ионизации в основном используется только для газообразных атомных или молекулярных частиц, существует ряд аналогичных величин, которые учитывают количество энергии, требуемой для удаления электрона из других физических систем.

Энергия связи электрона

Энергии связи конкретных атомных орбиталей в зависимости от атомного номера. Из-за увеличения числа протонов электроны, занимающие одну и ту же орбиталь, более тесно связаны в более тяжелых элементах.

Электрон энергия связи - общий термин для обозначения минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из определенного электронная оболочка для атома или иона, из-за того, что эти отрицательно заряженные электроны удерживаются на месте электростатическим притяжением положительно заряженного ядра.^[49] Например, энергия связи электрона для удаления 3p_3/2 Электрон от иона хлора - это минимальное количество энергии, необходимое для удаления электрона от атома хлора, когда он имеет заряд -1. В этом конкретном примере энергия связи электрона имеет ту же величину, что и электронное сродство для нейтрального атома хлора. В другом примере энергия связи электрона относится к минимальному количеству энергии, необходимому для удаления электрона из дианиона дикарбоксилата. ⁻О₂C (CH₂)₈CO⁻
₂.

На графике справа показана энергия связи для электронов в различных оболочках нейтральных атомов. Энергия ионизации - это самая низкая энергия связи для конкретного атома (хотя не все они показаны на графике).

Рабочая функция

Рабочая функция - минимальное количество энергии, необходимое для удаления электрона с твердой поверхности, где работа выхода W для данной поверхности определяется разностью^[50]

${ Displaystyle W = -e phi -E _ { rm {F}},}$

где −е это ответственность электрон, ϕ это электростатический потенциал в вакууме у поверхности, и E_F это Уровень Ферми (электрохимический потенциал электронов) внутри материала.

Смотрите также

• Уравнение Ридберга - расчет, который может определить энергии ионизации водород и водородоподобный элементы. Это дополнительно уточняется в этом сайт.
• Электронное сродство - тесно связанное понятие, описывающее энергию, выделяемую добавление электрон к нейтральному атому или молекуле.
• Энергия решетки - мера выделяемой энергии при ионы объединяются в соединение.
• Электроотрицательность это число, которое имеет некоторое сходство с энергией ионизации.
• Теорема Купманса, относительно прогнозируемых энергий ионизации в Хартри – Фок теория.
• Тетра ди-вольфрама (hpp) имеет самую низкую зарегистрированную энергию ионизации для стабильной химическое соединение.

использованная литература