Что такое Энергия ионизации - & Как рассчитать энергию ионизации.

Поскольку электрон притягивается ядром, то для его отрыва нужно сообщить атому энергию, превышающую энергию этого взаимодействия. Количество энергии, затрачиваемое для превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион, называется энергией ионизации, или ионизационным потенциалом. Для химических исследований наибольшее значение имеют первые потенциалы; первым потенциалом ионизации называется энергия, затрачиваемая на полное удаление наиболее слабо связанного электрона от атома в невозбужденном состоянии. Ионизируемым является тот электрон, для которого энергия минимальна.

Внутри каждого периода слева направо наблюдается повышение ионизационных потенциалов (рис. 3.9). В некоторых случаях это происходит не всегда равномерно и иногда потенциал ионизации элемента оказывается меньше, чем у предыдущего элемента того же периода.

Примером могут служить бор (Z = 5) и бериллий (Z = 4). У бора потенциал ионизации меньше, чем у бериллия. Это объясняется большим про-

Рис. 3.9.

никновением s-электронов к ядру по сравнению с р-электронами того же энергетического уровня. Ионизация бериллия сопровождается отрывом от атома s-электрона второго уровня, а ионизация бора - отрывом р-электро- на того же уровня. Проникающий эффект электронов зависит от их природы: наибольшим эффектом обладают s-электроны, меньшим - р-электроны и еще меньшим d- и/-электроны. Эффект проникновения более характерен для тяжелых атомов с большим числом электронов во внутренних слоях. Проникающий эффект внешних электронов наиболее сильно выражен у ^-элементов.

Атомы (и молекулы простых веществ) могут не только отщеплять электрон, но и присоединять. Тепловой эффект, отнесенный к 1 молю нейтрального атома элемента при присоединении им электрона, называется энергией сродства к электрону.

Сродство к электрону возрастает с уменьшением радиуса. Следовательно, в пределах периода с увеличением заряда ядра от щелочного металла к галогену наблюдается увеличение сродства к электрону. В пределах групп сверху вниз наблюдается обратная зависимость, т.е. с увеличением заряда ядра сродство к электрону уменьшается.

Потенциал ионизации и сродство к электрону - важные характеристики реакционной способности атомов элемента. Если атомы двух элементов сильно отличаются между собой значениями потенциалов ионизации, то у одного из них будет низкий потенциал ионизации, а у другого - высокое сродство к электрону. Такие атомы будут легко реагировать друг с другом с образованием прочной связи. Практическое использование этих характеристик ограничено тем, что они относятся к изолированным атомам, т.е. к газообразным состояниям. Если же атомы находятся не в изолированном состоянии, то в этом случае принято пользоваться эмпирической величиной, называемой электроотрицательностью.

Под электроотрицателыюстыо элемента (ЭО) подразумевают относительную способность его атомов притягивать электроны. Атомы элементов обладают различной электроотрицательностью: одни легче отдают электроны, другие легче их присоединяют. При образовании химической связи между двумя атомами связующие электроны обычно больше притягиваются тем атомом, у которого электроотрицательность больше. Следовательно, зная значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов, можно предсказать тип формирующейся связи между ними. Так, молекулы, образованные атомами, сильно отличающимися по электроотрицательности, должны быть более ионными, а если у взаимодействующих атомов близкие значения электроотрицательностей, то между ними образуется менее полярная связь.

Внутри периода слева направо электроотрицательность увеличивается. Для переходных элементов электроотрицательность несколько уменьшается в пределах периода. Внутри групп электроотрицательность преимущественно уменьшается сверху вниз (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Значение относительной электроотрицательности некоторых «V- и /7-элементов по Полингу 2

Степень окисления. Смещение связующих электронов в сторону более электроотрицательного атома создает у него избыток отрицательного заряда, а у менее электроотрицательного - дефицит электронов. В соединениях с ионной связью атом, отдавший электрон, превращается в катион, а принявший электрон - в анион. Для характеристики атомов в молекуле введено понятие степени окисления, или окислительного числа атомов. Степень окисления - численное значение электрического заряда атома при допущении, что молекула построена по ионному типу. Эта величина указывает на состояние окисления атома и представляет собой лишь удобный метод учета переноса электронов: она не является истинным зарядом атома в молекуле. Более подробно см. параграф 9.1.

Количественной характеристикой проявления элементом металлических или восстановительных свойств является энергия ионизации.

Энергией ионизации I называется энергия, которую необходимо затратить для отрыва и удаления одного электрона от атома, молекулы или иона. Энергия ионизации выражается в джоулях Дж или электрон-вольтах эВ (1 эВ =1,6 ∙ 10 −19 Дж ; в расчете на 1 моль это соответствует 96,5 кДж/моль ). Чем меньше энергия ионизации, тем выше восстановительная способность атома. Атомы, теряя электроны, превращаются в положительно заряженные ионы. Для данного атома или иона энергия, необходимая для отрыва и удаления первого электрона, называется первой энергией ионизации I 1 , второго – второй энергией ионизации I 2 и т.д. Энергия ионизации увеличивается в следующем порядке: I 1 < I 2 < I 3 < … < I n , т.к. удаление электрона от электронейтрального атома происходит легче, чем от иона.

В пределах одного периода I 1 изменяется не монотонно. Наименьшее ее значение наблюдается у щелочных металлов – это самые активные металлы. У щелочно-земельных металлов (IIA группа) в связи с заполнением s –подуровня энергия ионизации возрастает. У следующих за ними элементов III группы появление первого р –электрона снова снижает энергию ионизации. Резко возрастает она у элементов V группы, что соответствует энергетически выгодному половинному заполнению р –подуровня; у элементов VI группы энергия ионизации чуть уменьшается и затем снова резко возрастает, достигая максимума у элементов VIII группы. Таким образом, в целом, в пределах одного периода с увеличением порядкового номера элемента наблюдается тенденция роста энергии ионизации, а следовательно – ослабление металлических (восстановительных) свойств.

В пределах подгруппы с увеличением порядкового номера элемента валентный электрон оказывается на более удаленном от ядра энергетическом уровне, так как заполняется подуровень с большим значением n . В результате с ростом атомного радиуса и удалением электрона от ядра сила притяжения его ядром ослабевает, что облегчает отрыв электрона от атома. Поэтому в подгруппе с ростом порядкового номера элемента энергия ионизации уменьшается, а металлические (восстановительные) свойства элементов увеличиваются. Таким образом, самым активным металлом из всех известных сейчас является франций.

Так как металлы образуют гидроксиды, проявляющие основные свойства, то чем активнее металл, тем более сильным основанием является соответствующий ему гидроксид. Так, металлам IA группы соответствуют самые сильные основания – щелочи, но в ряду NaOH – KOH – CsOH самым сильным основанием будет CsOH .

Важным энергетическим параметром для изучения химических процессов является энергия ионизации атома. Применительно к атому водорода это энергия, которую необходимо затратить, для того чтобы оторвать электрон от протона.

Она равна сумме потенциальной энергии системы и кинетической энергии электрона.

E a = E+T= -Z . e/2 . R, (2.7)

где E a -энергия атома водорода.

Из формулы (2.7) следует, что уменьшение расстояния между электроном и ядром и увеличение заряда ядра означают увеличение силы притяжения электрона к ядру. То есть, потребуется больше энергии для отрыва электрона от ядра. Чем больше энергии требуется для разрыва этой связи, тем более стабильна система.

Следовательно, если разрушение связи (отделение электрона от ядра) в одной системе требует больше энергии, чем в другой, то первая система более стабильна.

Энергия ионизации атома - та энергия, что требуется для разрыва связей в атоме водорода, была определена экспериментально . Она равна 13,6 эВ (электронвольт). Также экспериментально была определена энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра в атоме, состоящем из одного электрона и ядра, заряд которого в два раза больше, заряда ядра атома водорода. В этом случае необходимо затратить в четыре раза больше энергии (54,4 эВ).

Как известно из электростатики, энергия (Т ), необходимая для разрыва связи между противоположенными зарядами (Z и е ), находящимися друг от друга на расстоянии R , определяется равенством

Она пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Такая корреляция вполне понятна: чем больше заряды, тем сильнее их притяжение друг к другу, следовательно, больше энергии требуется для разрыва связи между ними. И чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии придется затратить на разрушение связи. Благодаря этому становится понятным, почему атомная система, где заряд ядра в два раза больше, чем заряд ядра в атоме водорода, более стабильна и требует больше энергии для отрыва электрона.

Однако, следующий вопрос требует дополнительного разъяснения:

Это особенно необъяснимо, если мы вернемся к равенству (2.1), в соответствие с которым увеличение заряда в два раза приводит к увеличению требуемой для разрыва энергии тоже в два раза, а не к возведению в квадрат.

Эта несоответствие объясняется следующим образом: в системе, где заряды Z и е находятся в состоянии покоя относительно друг друга, энергия Т действительно пропорциональна Z . Соответственно, при увеличении заряда ядра энергия Т увеличивается прямо пропорционально. Но в отличие от такой системы, в атоме, где электрон с зарядом е вращается вокруг ядра с зарядом Z , и заряд Z увеличивается, радиус вращения R пропорционально уменьшается. Это происходит потому, что электрон притягивается к ядру с большей силой.

Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого-либо элемента, называется первой энергией ионизации данного элемента (точное определение величины содержится в гл. 5). Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов из одного моля однозарядных положительных ионов какого-либо элемента, называется его второй энергией ионизации т. Например, первая и вторая энергии ионизации натрия определяются следующим образом:

Следует обратить внимание на то, что энергии ионизации относятся к атомам или ионам в газообразном состоянии. Отметим также, что энергия, необходимая для удаления второго электрона из атома натрия, почти в 10 раз превышает энергию, необходимую для удаления первого электрона. Для каждого элемента число энергий ионизации равно атомному номеру.

Экспериментальное определение энергий ионизации.

Для экспериментального определения энергий ионизации можно воспользоваться атомными спектрами или методом электронного удара.

Атомные спектры. Как мы уже видели, предел сходимости для серии линий в атомном спектре соответствует ионизации атома. Частота излучения, отвечающая пределу сходимости, связана с энергией ионизации соотношением .

Выше были описаны несколько серий линий в спектре атомарного водорода; каждая серия имеет свой предел сходимости. Какую из них следует выбрать для определения энергии ионизации? Напомним, что энергия ионизации необходима для возбуждения электрона из его основного состояния и полного удаления этого электрона из атома. По надписям на рис. 1.14 видно, что серия Лаймана соответствует возвращению возбужденного электрона в основное состояние. Именно эту серию и следует выбрать, чтобы по ее пределу сходимости определить энергию ионизации.

Метод электронного удара. В газоразрядную трубку вводят газообразный образец исследуемого элемента. Этот образец подвергают бомбардировке электронами, которые испускаются катодом разрядной трубки. Электроны предварительно разгоняют в электрическом поле, создаваемом между катодом и проволочной сеткой. Напряженность этого поля постепенно увеличивают до тех пор, пока не произойдет внезапное усиление тока, вызванное ионизацией образца. По разности потенциалов между катодом и сеткой, которая соответствует началу ионизации, можно вычислить энергию ионизации исследуемого элемента.

Наиболее характерным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, а неметаллы, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов. Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, называемую энергией ионизации.

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

Энергию электрона часто выражают в электронволътах (эВ). 1 эВ - энергия, которую приобретает электрон в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов IB (1 эВ = 1,6 10“ 19 Дж; в расчете на 1 моль это соответствует энергии 96,5 кДж/моль).

Энергия ионизации, выраженная в элсктронвольтах, численно равна потенциалу ионизации, выраженному в вольтах.

При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потенциале ионизации (энергия отрыва от атома первого электрона), втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона) и т.д. По мере последовательного удаления электронов от атома положительный заряд образующегося иона возрастает. Поэтому для отрыва каждого следующего электрона требуется большая затрата энергии, иначе говоря, последовательные потенциалы ионизации атома возрастают (табл. 3).

Данные табл. 3 показывают, что от атома лития сравнительно легко отрывается один электрон, от атома бериллия - два, от атома бо-

Последовательные потенциалы ионизации атомов некоторых элементов второго периода

Таблица 3

Элемент	Потенциал ионизации, В
	первый	второй	третий	четвертый	пятый
Литий
Бериллий
Углерод

ра - три, от атома углерода - четыре. Отрыв же последующих электронов требует гораздо большей затраты энергии. Это соответствует нашим представлениям о строении рассматриваемых атомов. Действительно, у атома лития во внешнем электронном слое размещается один электрон, у атома бериллия - 2, бора - 3, углерода - 4. Эти электроны обладают более высокой энергией, чем электроны предшествующего слоя, и поэтому их отрыв от атома требует сравнительно небольших энергетических затрат. При переходе же к следующему электронному слою энергия ионизации резко возрастает.

Величина потенциала ионизации может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.

Рассмотрим с этой точки зрения, как изменяются первые потенциалы ионизации с увеличением атомного номера у атомов одной и той же подгруппы периодической системы (табл. 4). Как видно, с увеличением порядкового номера элемента потенциалы ионизации уменьшаются, что свидетельствует об усилении металлических и соответственно ослаблении неметаллических свойств.

Таблица 4

Первые потенциалы ионизации (в В) атомов элементов некоторых главных подгрупп

I группа		II группа		III группа		IV группа

Эта закономерность связана с возрастанием радиусов атомов, о котором говорилось в § 33. Кроме того, увеличение числа промежуточных электронных слоев, расположенных между ядром атома и внешними электронами, приводит к более сильному экранированию ядра, т.е. к уменьшению его эффективного заряда. Оба эти фактора (растущее удаление внешних электронов от ядра и уменьшение его эффективного заряда) приводят к ослаблению связи внешних электронов с ядром и, следовательно, к уменьшению потенциала ионизации.

У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к благородному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Поэтому потенциал ионизации постепенно увеличивается, а металлические свойства ослабевают. Иллюстрацией

Первые потенциалы ионизации (в В) атомов элементов второго и третьего периодов

Таблица 5

этой закономерности могут служить первые потенциалы ионизации элементов второго и третьего периодов (табл. 5).

Из данных табл. 5 видно, что общая тенденция к возрастанию энергии ионизации в пределах периода в некоторых случаях нарушается. Так, потенциалы ионизации атомов бериллия и азота выше, чем атомов следующих за ними элементов бора и кислорода; аналогичное явление наблюдается и в третьем периоде при переходе от магния к алюминию и от фосфора к сере. При этом повышенные значения потенциалов ионизации наблюдаются либо у атомов с целиком заполненным внешним энергетическим подуровнем (бериллий и магний)

либо у атомов, у которых внешний энергетический подуровень заполнен ровно наполовину, так что каждая орбиталь этого подуровня занята одним электроном (азот и фосфор)

Эти и подобные факты служат экспериментальным основанием уже упоминавшегося в § 32 положения, согласно которому электронные конфигурации, соответствующие полностью или ровно наполовину занятым подуровням, обладают повышенной энергетической устойчивостью.

Как отмечалось выше, атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации, обычно выражается в электронвольтах. Так, сродство к электрону атома водорода равно 0,75 эВ, кислорода - 1,47 эВ, фтора - 3,52 эВ.

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно; из этого следует, что для атомов большинства металлов присоединение электронов энергетически невыгодно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда положительно и тем больше, чем ближе к благородному газу расположен неметалл в периодической системе; это свидетельствует об усилении неметаллических свойств по мере приближения к концу периода.