Энергия ионизации

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Энергия ионизации»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

График изменения энергии ионизации в зависимости от атомного номера . Энергия ионизации постепенно увеличивается от щелочных металлов к благородным газам . Максимальная энергия ионизации также уменьшается от первой до последней строки в данном столбце из-за увеличения расстояния валентной электронной оболочки от ядра.

В физике и химии , энергии ионизации ( американские английские орфографии) или энергии ионизации ( британские английские орфографии) минимальное количество энергии , необходимом для удаления наиболее слабо связанного электрона изолированного нейтрального газового атома или молекулы . ^[1] Количественно это выражается как

X (g) + энергия ⟶ X ⁺ (g) + e ^-

где X - любой атом или молекула, X ⁺ - ион с одним удаленным электроном, а e ^- удаленный электрон. ^[2] Обычно это эндотермический процесс . Как правило, чем ближе внешние электроны к ядру 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 одного атома или молекулы, выраженное в электронвольтах . В химии единицей измерения является количество энергии, необходимое для того, чтобы все атомы в моль вещества потеряли по одному электрону каждый: молярная энергия ионизации или приблизительно энтальпия , выраженная в килоджоулей на моль (кДж / моль) или килокалориях на моль (ккал. / моль). ^[4]

Сравнение энергий ионизации атомов в периодической таблице показывает две периодические тенденции, которые подчиняются правилам кулоновского притяжения : ^[5]

1. Энергия ионизации обычно увеличивается слева направо в течение заданного периода (то есть ряда).
2. Энергия ионизации обычно уменьшается сверху вниз в данной группе (то есть в столбце).

Последняя тенденция возникает из-за того, что внешняя электронная оболочка все больше удаляется от ядра, с добавлением одной внутренней оболочки на ряд по мере движения вниз по столбцу.

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

1-я энергия ионизации - это энергия, при которой происходит реакция X ⟶ X ⁺ + e ^-

2-я энергия ионизации - это энергия, при которой происходит реакция X ⁺ ⟶ X ²⁺ + e ^-

Третья энергия ионизации - это энергия, при которой происходит реакция X ²⁺ ⟶ X ³⁺ + e ^-

Термин « потенциал ионизации» является более старым и устаревшим термином ^[6] для обозначения энергии ионизации ^[7], поскольку самый старый метод измерения энергии ионизации был основан на ионизации образца и ускорении удаляемого электрона с использованием электростатического потенциала .

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 определены просто путем определения их соответствующей электронной конфигурации.
• Ядерный заряд: если ядерный заряд ( атомный номер ) больше, электроны сильнее удерживаются ядром и, следовательно, энергия ионизации будет больше.
• Количество электронных оболочек : если размер атома больше из-за наличия большего количества оболочек, электроны удерживаются ядром менее плотно, и энергия ионизации будет меньше.
• Эффективный заряд ядра ( Z _eff ): если величина электронного экранирования и проникновения больше, электроны удерживаются ядром менее плотно, Z _eff электрона и энергия ионизации меньше. ^[8]
• Тип орбитальной ионизации: атом, имеющий более стабильную электронную конфигурацию, имеет меньшую тенденцию терять электроны и, следовательно, имеет более высокую энергию ионизации.
• Заполнение электронами: если самая высокая занятая орбиталь занята дважды, то легче удалить электрон.

Другие второстепенные факторы включают:

• Релятивистские эффекты: они влияют на более тяжелые элементы (особенно те, атомный номер которых больше 70), поскольку 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 обменная энергия : они учитывают только полностью заполненные и наполовину заполненные орбитали. Распространенное заблуждение состоит в том, что «симметрия» играет роль; хотя до сих пор никто не пришел к заключению своих доказательств.

Определение энергии ионизации [ править ]

Энергия ионизации атомов, обозначаемая E _i , измеряется ^[9] путем нахождения минимальной энергии квантов света ( фотонов ) или электронов, ускоренных до известной энергии, которая выбрасывает 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. ^{[ необходима цитата ]} Кроме того, многие твердые элементы могут нагреваться и превращаться в отдельные атомы. 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 смещается в ультрафиолетовый диапазон. При определенной длине волны (λ) и частоте света (ν = c / λ, где c - скорость света) световые кванты, энергия которых пропорциональна частоте, будут иметь достаточно высокую энергию, чтобы вытеснить наименее связанные электроны. . Эти электроны будут притягиваться к положительному электроду, а положительные ионы, оставшиеся после фотоионизации, будут притягиваться к отрицательно заряженному электроду. Эти электроны и ионы создают ток через трубку. Энергией ионизации будет энергия фотонов hν _i ( h - постоянная Планка ), вызвавших резкое повышение тока: E _i =hν _i .

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

Ценности и тенденции [ править ]

Как правило, ( n +1) -я энергия ионизации конкретного элемента больше, чем nэнергия 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. Кроме того, 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 конфигураций благородных газов . Например, как видно из таблицы выше, первые две молярные энергии ионизации магния (отрыв двух 3s-электронов от атома магния) намного меньше, чем третья, которая требует оторвать 2p-электрон от неоновой конфигурации Mg ²⁺ . Этот электрон гораздо ближе к ядру, чем 3s-электрон, удаленный ранее.

Энергия ионизации также является периодическим трендом в периодической таблице. При перемещении слева направо в течение периода или вверх внутри группы первая энергия ионизации обычно увеличивается ^[10], за исключением таких случаев, как алюминий и сера в таблице выше. По мере того как заряд ядра ядра увеличивается в течение периода, электронное экранирование остается постоянным, следовательно, радиус атома уменьшается, и электронное облако становится ближе к ядру ^[11]потому что электроны, особенно самые дальние из них, удерживаются более сильным ядерным зарядом. 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 в энергиях ионизации [ править ]

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

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 защищают 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]

В кислороде последний электрон делит дважды занятую p-орбиталь с электроном противоположного спина . 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 металлах требует гораздо меньшего количества энергии для удаления от атома, чем внутренние оболочки. Это также приводит к низким значениям электроотрицательности для щелочных металлов. ^{[15] [16] [17]}

Тенденции и исключения резюмируются в следующих подразделах:

Энергия ионизации уменьшается при [ править ]

• Переход к новому периоду: щелочной металл легко теряет один электрон, чтобы оставить конфигурацию октета или псевдоблагородного газа , поэтому эти элементы имеют лишь небольшие значения для IE.
• Переход от s-блока к p-блоку: p-орбиталь легче теряет электрон. Примером может служить бор из бериллия с электронной конфигурацией 1s ² 2s ² 2p ¹ . 2s-электроны экранируют 2p-электрон с более высокой энергией от ядра, облегчая его удаление. То же самое происходит в случае магния с алюминием . ^[20]
• Занимая p-подоболочку со своим первым электроном 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) в серу ( 
  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 теллура, где экранирование слишком мало, чтобы вызвать провал.
• Переходя от d-блока к p-блоку: как и в случае с цинком ( 
  ₃₀Zn
  : 9,4 эВ) в галлий ( 
  _{31 год}Ga
  : 6,0 эВ)
• Частный случай: уменьшение от свинца ( 
  ₈₂Pb
  : 7,42 эВ) в висмут ( 
  ₈₃Би
  : 7,29 эВ). Это не может быть связано с размером (разница минимальна: свинец имеет ковалентный радиус 146 мкм, а у висмута - 148 мкм ^[22] ). Это также нельзя отнести к релятивистской стабилизации орбитали 6s, поскольку этот фактор очень похож в двух соседних элементах. Другие факторы предполагают противоположное тому факту, что висмут должен иметь более высокий IE из-за его наполовину заполненной орбитали (добавление стабилизации), положения в периодической таблице (Bi правее, поэтому он должен быть менее металлическим, чем Pb), и у него есть одно больше протона (способствует [эффективному] заряду ядра). ^[23]
• Частный случай: уменьшение от радия ( 
  ₈₈Ра
  : 5,27 эВ) в актиний ( 
  ₈₉Ac
  : 5,17 эВ), что является переключением с р-орбитали на ф-орбиталь. Однако аналогичный переход с бария ( 
  ₅₆Ба
  : 5,2 эВ) в 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 последний добавленный электрон запускает новую подоболочку : 5d для Lu с электронной конфигурацией [Xe] 4f ¹⁴ 5d ¹ 6s ² и 7p для Lr с конфигурацией [Rn] 5f ⁴ 7s ² 7p ¹ . Эти падения 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 лантана (La) и актиния (Ac). ^{[24] [25] [26] [27]}

Энергия ионизации увеличивается, когда [ править ]

• Достижение элементов из благородных газов группы 18: это связано с их полными электронными подоболочками ^[28], так что этим элементам требуется большое количество энергии для удаления одного электрона.
• Группа 12: Элементы здесь, цинк ( 
  ₃₀Zn
  : 9,4 эВ), кадмий ( 
  ₄₈CD
  : 9,0 эВ) и ртуть ( 
  ₈₀Hg
  : 10,4 эВ) все регистрируют внезапный рост значений IE по сравнению с их предыдущими элементами: медь ( 
  ₂₉Cu
  : 7,7 эВ), серебро ( 
  ₄₇Ag
  : 7,6 эВ) и золота ( 
  ₇₉Au
  : 9,2 эВ) соответственно. Для ртути можно экстраполировать, что релятивистская 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 с замкнутыми подоболочками: [Ar] 3d ¹⁰ 4s ² , [Kr] 4d ¹⁰ 5s ² и [Xe] 4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6s ² обеспечивают повышенную стабильность.
• Частный случай: переход от родия ( 
  ₄₅Rh
  : 7,5 эВ) в палладий ( 
  ₄₆Pd
  : 8,3 эВ). В отличие от других элементов группы 10, палладий имеет более высокую энергию ионизации, чем предыдущий атом, из-за своей электронной конфигурации. В отличие от никеля 'с [Ar] 3d ⁸ 4s ² и платины ' с [Xe] 4f ¹⁴ 5d ⁹ 6s ¹ , электронная конфигурация палладия является [Kr] 4d ¹⁰ 5s ⁰ (даже при том , что правила Маделунг предсказывает [Kr] 4d ⁸ 5с ² ). Наконец, нижний IE серебра ( 
  ₄₇Ag
  : 7,6 эВ) еще больше подчеркивает высокое значение палладия; единственный добавленный s-электрон удаляется с более низкой энергией ионизации, чем палладий ^[29], что подчеркивает высокий IE палладия (как показано в приведенных выше значениях линейной таблицы для IE)
• ИЭ гадолиния ( 
  ₆₄Б-г
  : 6.15 эВ) несколько выше, чем оба предыдущих ( 
  ₆₂См
  : 5,64 эВ), ( 
  ₆₃Европа
  : 5.67 эВ) и следующие элементы ( 
  ₆₅Tb
  : 5,86 эВ), ( 
  ₆₆Dy
  : 5,94 эВ). Эту аномалию можно отнести к наполовину заполненной орбитали 4f ⁷ .
• Переход к элементам d-блока: Элементы Sc с электронной конфигурацией 3d ¹ имеют более высокий IP ( 
  _{21 год}Sc
  : 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 аналогичной 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. ядро, чем электроны на d-орбиталях. Таким образом, взаимное экранирование 3d- и 4s-электронов слабое, 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 элемента d ¹ ( 
  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 при добавлении f-электронов. Это связано с сокращением лантаноидов (для лантаноидов). ^{[30] [31] [32]} Это уменьшение ионного радиуса связано с увеличением энергии ионизации, в свою очередь, увеличивается, поскольку эти два свойства коррелируют 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, так что занимающие их электроны обладают меньшей защитной способностью.

Аномалии энергии ионизации в группах [ править ]

Значения энергии ионизации имеют тенденцию уменьшаться при переходе к более тяжелым элементам в группе ^[13], поскольку экранирование 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 одного исключения в группе 10 палладий ( 
₄₆Pd
: 8,34 эВ) имеет более высокую энергию ионизации, чем никель ( 
_{28 год}Ni
: 7,64 эВ), в отличие от общего уменьшения для элементов из технеция.  
_{43 год}Tc
к ксенону  
₅₄Xe
. Ниже приводится краткое описание таких аномалий:

• Группа 1:
  • Энергия ионизации водорода очень высока (13,59844 эВ) по сравнению с щелочными металлами. Это связано с его единственным электроном (и, следовательно, очень маленьким электронным облаком ), который находится близко к ядру. Точно так же, поскольку нет других электронов, которые могли бы вызвать экранирование, этот единственный электрон испытывает полный суммарный положительный заряд ядра. ^[34]
  • Франций энергия ионизации «ы выше , чем прецедент щелочного металла , цезий . Это происходит из-за его (и радия) малых ионных радиусов из-за релятивистских эффектов. Из-за их большой массы и размера это означает, что его электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями, что приводит к тому, что электроны становятся ближе к ядру, чем ожидалось, и, следовательно, их труднее удалить (более высокий IE). ^[35]
• Группа 2: энергия ионизации радия, которая выше, чем у предшествующего ему щелочноземельного металла бария , такого как франций, также является следствием релятивистских эффектов. Электроны, особенно 1s-электроны, испытывают очень высокие эффективные 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. По принципу 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: лидеры ( 
  ₈₂Pb
  : 7,4 эВ) необычайно высокая энергия ионизации из-за включения не только 5d-электронов, но и 4f-электронов ( лантаноидов ). 4f-электроны довольно неэффективно экранируют ядро ​​от 6p-электронов, что приводит к достаточно высокому эффективному заряду ядра до такой степени, что энергия ионизации свинца на самом деле немного выше, чем у олова . ^[36]
• Группа 4:
  • Гафний почти схож в IE с цирконием . Эффекты сокращения лантаноидов все еще можно почувствовать после лантаноидов . ^[31] Это можно увидеть через меньшие атомные радиусы первого (что противоречит наблюдаемой периодической тенденции ) в 159 пм ^[37] ( эмпирическое значение ), что отличается от 155 пм у последнего. ^{[38] [39]} Это, в свою очередь, увеличивает его энергию ионизации на 18 ± кДж / моль ^-1 .
    • IE титана , 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 больше на 15 мкм. ^[40] Мы также не можем управлять конденсированной энергией 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 полную электронную конфигурацию циркония , которая составляет 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 3d¹⁰ 4s²4p⁶4d²5s². ^[41]Наличие полного подуровня 3d-блока равносильно более высокой эффективности экранирования по сравнению с элементами 4d-блока (которые состоят только из двух электронов). ^[а]
• Группа 5: аналогично группе 4, ниобий и тантал аналогичны друг другу из-за их электронной конфигурации и сокращения лантаноидов, влияющего на последний элемент. ^[42] Фактически, их значительный рост IE по сравнению с передовым элементом в группе, ванадием , может быть объяснен их полными электронами d-блока, в дополнение к их электронной конфигурации. Еще одна интригующая идея - это наполовину заполненная 5s орбиталь ниобия; за счет отталкивания и обмена энергии (другими словами «затраты» 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 группы 4 и 5, группа 6 также показывает высокие значения при движении вниз. Вольфрам снова 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-го периода ( рений , осмий , иридий , платина , золото и ртуть ): все эти элементы имеют чрезвычайно высокую энергию ионизации, чем предшествующий им элемент в их соответствующих группах. Суть этого заключается в влиянии сокращения лантаноидов на постлантаноиды в дополнение к релятивистской стабилизации орбитали 6s.
• Группа 13:
  • IE галлия выше, чем у алюминия. Это снова связано с d-орбиталями, помимо сжатия скандидов, которые обеспечивают слабую защиту и, следовательно, увеличивают эффективные ядерные заряды.
  • IE таллия из-за плохого экранирования 4f-электронов ^[44] в дополнение к сокращению лантаноида вызывает усиление его IE по сравнению с его предшественником, индием .
• Группа 14: Свинец с более высоким IE по сравнению с оловом . Это связано, как и таллий группы IIIA, с плохой защитой от форбитального сокращения и сокращения лантаноидов. ^[44]

Электростатическое объяснение [ править ]

Энергию ионизации атома можно предсказать с помощью анализа с использованием электростатического потенциала и модели атома Бора следующим образом (обратите внимание, что при выводе используются гауссовы единицы ).

Рассмотрим электрон с зарядом - e 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 a . Электростатический потенциал V на расстоянии a от ионного ядра относительно бесконечно удаленной точки равен:

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

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

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

Этот анализ является неполным, так как он оставляет расстояние a как неизвестную переменную. 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 может быть исключена из члена кинетической энергии, установив кулоновское притяжение равным центростремительной силе, давая:

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

Решая угловой момент относительно v и подставляя его в выражение для кинетической энергии, мы имеем:

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

Это устанавливает зависимость радиуса от n . То есть:

${\displaystyle r(n)={\frac {n^{2}\hbar ^{2}}{Zm_{\rm {e}}e^{2}}}}$

Теперь энергию можно найти через Z , e и r . Используя новое значение кинетической энергии в приведенном выше уравнении полной энергии, было обнаружено, что:

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

При наименьшем значении n равно 1, а r - боровский радиус a _0, который равен . Теперь уравнение для энергии можно составить в терминах радиуса Бора. Это даст результат:${\displaystyle {\frac {\hbar ^{2}}{me^{2}}}}$

${\displaystyle E=-{\frac {1}{n^{2}}}{\frac {Z^{2}e^{2}}{2a_{0}}}=-{\frac {Z^{2}13.6eV}{n^{2}}}}$

Квантово-механическое объяснение [ править ]

В этом разделе есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Сентябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) В этот раздел необходимо добавить : больше формул для расчета энергий ионизации. Вы можете помочь, добавив к нему . ( Сентябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Согласно более полной теории квантовой механики , местоположение электрона лучше всего описать как распределение вероятностей в электронном облаке , то есть атомной орбитали . ^{[45] [46]} Энергия может быть вычислена путем интегрирования по этому облаку. Основное математическое представление облака - это волновая функция, которая строится из определителей Слейтера, состоящих из молекулярных спиновых орбиталей. Они связаны принципом исключения Паули с антисимметричными продуктами атомных или молекулярных орбиталей .

Существует два основных способа расчета энергии ионизации. В общем, вычисление для п - й энергии ионизации требует вычислений энергий и электронных систем. Точное вычисление этих энергий невозможно, за исключением простейших систем (например, водорода и водородоподобных элементов), в первую очередь из-за трудностей с интегрированием членов электронной корреляции . Поэтому обычно используются методы аппроксимации, при этом разные методы различаются по сложности (время вычислений) и точности по сравнению с эмпирическими данными. Это стало хорошо изученной проблемой и обычно делается в вычислительной химии.${\displaystyle Z-n+1}$${\displaystyle Z-n}$. Второй способ вычисления энергии ионизации в основном используется на самом низком уровне приближения, где энергия ионизации обеспечивается теоремой Купманса , которая включает самую высокую занятую молекулярную орбиталь или «HOMO» и самую низкую незанятую молекулярную орбиталь или «LUMO», который утверждает, что энергия ионизации атома или молекулы равна энергии орбитали, с которой выбрасывается электрон. Это означает , что энергия ионизации равна энергии HOMO, чье формальное уравнение равно: . ^[47]${\displaystyle Ii=-Ei}$

Энергия вертикальной и адиабатической ионизации в молекулах [ править ]

Ионизация молекул часто приводит к изменению геометрии молекул , и выделяют два типа (первых) энергии ионизации - адиабатическую и вертикальную . ^[48]

Энергия адиабатической ионизации [ править ]

Энергия адиабатической ионизации молекулы - это минимальное количество энергии, необходимое для удаления электрона из нейтральной молекулы, то есть разность между энергией основного колебательного состояния нейтральной частицы (уровень v "= 0) и энергией положительного ion (v '= 0). Конкретная равновесная геометрия каждого вида не влияет на это значение.

Энергия вертикальной ионизации [ править ]

Из-за возможных изменений в геометрии молекул, которые могут возникнуть в результате ионизации, могут существовать дополнительные переходы между основным колебательным состоянием нейтральных частиц и колебательно- возбужденными состояниями положительного иона. Другими словами, ионизация сопровождается колебательным возбуждением . Интенсивность таких переходов объясняется принципом Франка – Кондона, согласно которому 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 одинарной связи . Удаление электрона со связывающей молекулярной орбитали ослабляет связь и увеличивает длину связи. На рисунке 1 нижняя кривая потенциальной энергии соответствует нейтральной молекуле, а верхняя поверхность - положительному иону. Обе кривые отображают потенциальную энергию как функцию длины связи. Горизонтальные линии соответствуют колебательным уровням и связанным с ними колебательным волновым функциям.. 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 [ править ]

Хотя термин «энергия ионизации» в основном используется только для газообразных атомных или молекулярных частиц, существует ряд аналогичных величин, которые учитывают количество энергии, необходимое для удаления электрона из других физических систем.

Энергия связи электрона [ править ]

Энергия связи электрона - это общий термин для минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из конкретной электронной оболочки 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 электрона из хлорид-иона - 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 сродство к электрону.для нейтрального атома хлора. В другом примере энергия связи электрона относится к минимальному количеству энергии, необходимому для удаления электрона из дианиона дикарбоксилата ^- O ₂ C (CH ₂ ) ₈ CO.^-
₂.

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

Работа [ править ]

Работа выхода - это 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 - e - заряд электрона , ϕ - электростатический потенциал в вакууме вблизи поверхности, а E _F - уровень Ферми ( электрохимический потенциал электронов) внутри материала.

Примечание [ править ]

См. Также [ править ]

• Уравнение Ридберга , расчет, который может определить энергии ионизации водорода и водородоподобных элементов. Это более подробно рассматривается на этом сайте.
• Сродство к электрону , тесно связанное понятие, описывающее энергию, выделяемую при добавлении электрона к нейтральному атому или молекуле.
• Энергия решетки , мера энергии, высвобождаемой при объединении ионов в соединение.
• Электроотрицательность - это число, которое имеет некоторое сходство с энергией ионизации.
• Теорема Купманса относительно предсказанных энергий ионизации в теории Хартри – Фока .
• Тетра вольфрама (hpp) имеет самую низкую зарегистрированную энергию ионизации для стабильного химического соединения .
• Энергия диссоциации связи , мера прочности химической связи, рассчитанная путем расщепления путем гомолиза, дающего два радикальных фрагмента A и B, и последующая оценка изменения энтальпии
• Энергия связи , средняя мера прочности химической связи, рассчитываемая через количество тепла, необходимое для разрыва всех химических связей на отдельные атомы.

Ссылки [ править ]