Энергия ионизации и её периодическая зависимость
Изучите понятие энергии ионизации, факторы её изменения и закономерности в Периодической системе. Узнайте, почему энергия ионизации возрастает в периодах и уменьшается в группах.
Введение
Изучая строение атома, мы выяснили, что электроны удерживаются вокруг ядра силами электростатического притяжения.
Однако сила связи между ядром и электронами у различных элементов неодинакова. У одних элементов внешние электроны удерживаются очень слабо и легко отрываются, у других — чрезвычайно прочно.
Для количественной характеристики способности атома удерживать свои электроны используется понятие энергии ионизации.
Энергия ионизации является одной из важнейших характеристик атома, поскольку позволяет объяснить металлические и неметаллические свойства элементов, их химическую активность и закономерности изменения свойств в Периодической системе.
Процесс ионизации
Прежде чем рассматривать энергию ионизации, необходимо понять процесс ионизации.
Ионизация — процесс превращения нейтрального атома в положительно заряженный ион вследствие отрыва одного или нескольких электронов.
Пример
Na⁰ → Na⁺ + e⁻
Атом натрия теряет один электрон и превращается в катион натрия.
Что такое энергия ионизации?
Энергия ионизации — это минимальная энергия, необходимая для отрыва одного электрона от нейтрального атома, находящегося в газообразном состоянии.
Другими словами, это мера прочности связи между ядром и внешним электроном.
- Чем больше энергия ионизации, тем труднее удалить электрон из атома.
- Чем меньше энергия ионизации, тем легче атом отдаёт электрон.
Первая, вторая и третья энергия ионизации
Из атома можно последовательно удалять несколько электронов.
Поэтому различают:
Первая энергия ионизации
Отрыв первого электрона:
Mg → Mg⁺ + e⁻
Вторая энергия ионизации
Отрыв второго электрона:
Mg⁺ → Mg²⁺ + e⁻
Третья энергия ионизации
Отрыв третьего электрона:
Mg²⁺ → Mg³⁺ + e⁻
Закономерность
Каждая последующая энергия ионизации всегда больше предыдущей:
I₁ < I₂ < I₃
Это связано с тем, что после удаления электрона положительный заряд иона возрастает, а оставшиеся электроны удерживаются сильнее.
Факторы, влияющие на энергию ионизации
Величина энергии ионизации зависит от нескольких факторов.
1. Заряд ядра
Чем больше заряд ядра, тем сильнее ядро притягивает электроны.
Следовательно, чем больше заряд ядра, тем выше энергия ионизации.
Пример
Li < Be < B < C < N
В пределах одного периода заряд ядра постепенно увеличивается.
2. Расстояние электрона от ядра
Чем дальше электрон находится от ядра, тем слабее притяжение.
Поэтому внешние электроны легче удалить.
Пример
Li > Na > K > Rb > Cs
Внешние электроны цезия расположены значительно дальше от ядра, чем электроны лития.
3. Экранирование
Внутренние электроны частично ослабляют притяжение ядра к внешним электронам.
Это явление называют экранированием.
Чем больше внутренних электронных слоёв, тем сильнее экранирование и тем легче удалить внешний электрон.
4. Устойчивость электронной конфигурации
Особенно устойчивыми являются:
- полностью заполненные подуровни;
- наполовину заполненные подуровни.
Поэтому некоторые элементы имеют необычные значения энергии ионизации.
Изменение энергии ионизации в периоде
Рассмотрим изменение энергии ионизации слева направо по периоду.
Пример
Na → Mg → Al → Si → P → S → Cl
Причины изменения
При движении слева направо:
- увеличивается заряд ядра;
- число энергетических уровней остаётся постоянным;
- уменьшается атомный радиус;
- усиливается притяжение внешних электронов к ядру.
Общая закономерность
В периоде энергия ионизации увеличивается.
Периодическая зависимость в периоде
Схематически
Слева направо → энергия ионизации ↑
Изменение энергии ионизации в группе
Рассмотрим изменение сверху вниз по группе.
Пример
Li → Na → K → Rb → Cs
Общая закономерность
В группе энергия ионизации уменьшается.
Причины
- увеличивается число энергетических уровней;
- возрастает радиус атома;
- усиливается экранирование;
- внешние электроны располагаются дальше от ядра.
Периодическая зависимость
Схематически
Связь энергии ионизации с металлическими свойствами
Металлы легко отдают электроны.
Следовательно, для металлов характерны низкие значения энергии ионизации.
Примеры
Cs, Rb, K, Na
Поэтому щелочные металлы являются сильными восстановителями.
Связь энергии ионизации с неметаллическими свойствами
Неметаллы удерживают электроны значительно сильнее.
Следовательно, энергия ионизации у них высокая.
Примеры
F, O, N, Cl
Чем выше энергия ионизации, тем труднее атом отдаёт электрон.
Минимальные и максимальные значения энергии ионизации
Минимальная энергия ионизации
Минимальная энергия ионизации наблюдается у щелочных металлов.
Особенно низкое значение имеют:
- франций (Fr);
- цезий (Cs).
Они легко теряют единственный валентный электрон.
Максимальная энергия ионизации
Максимальная энергия ионизации наблюдается у благородных газов.
Наибольшие значения имеют:
- гелий (He);
- неон (Ne);
- аргон (Ar).
Их электронные оболочки полностью завершены и обладают высокой устойчивостью.
Исключения из общей закономерности
Как и многие периодические свойства, энергия ионизации изменяется не абсолютно плавно.
Пример
Be > B
Хотя бор расположен правее бериллия.
Причина
Электрон бора начинает заполнять более энергетически высокий p-подуровень.
Поэтому удалить этот электрон легче, чем электрон бериллия.
Энергия ионизации как периодическое свойство
Энергия ионизации относится к периодическим свойствам элементов.
Её изменение непосредственно связано со строением электронных оболочек атомов.
Поэтому Периодический закон позволяет прогнозировать изменение энергии ионизации для любого элемента по его положению в Периодической системе.
Практическое значение энергии ионизации
Понятие энергии ионизации используется:
- для объяснения химической активности элементов;
- для прогнозирования окислительно-восстановительных свойств;
- для анализа химической связи;
- для объяснения образования ионов;
- при изучении спектров атомов;
- в атомной и квантовой химии.
Главное запомнить
В периоде
При движении слева направо:
- энергия ионизации увеличивается;
- заряд ядра возрастает;
- радиус атома уменьшается.
В группе
При движении сверху вниз:
- энергия ионизации уменьшается;
- увеличивается радиус атома;
- усиливается экранирование.
Важная закономерность
Высокая энергия ионизации → атом трудно отдаёт электрон.
Низкая энергия ионизации → атом легко отдаёт электрон.
Энергия ионизации является одной из важнейших характеристик атома и напрямую связана со строением его электронной оболочки и положением элемента в Периодической системе.