Variaţia energiei de ionizare

Am vorbit lecția trecută despre cation și despre anion. Un anion este un ion negativ, adică un atom care primește electroni se transformă în anion.

Anionul va avea, deci, numărul electronilor mai mare decât numărul protonilor. Un cation este un ion pozitiv, adică un atom care cedează electroni se transformă în cation.

Deci, cationul va avea numărul de proton mai mare decât numărul de electroni.

Ca să ne obișnuim mai bine cu ce înseamnă ionii, haideți să reprezentăm formarea ionilor de aluminiu 3 plus și de oxigen 2 minus.

Aluminiul are numărul atomic Z egal cu 13, adică are 13 electroni în învelișul electronic.

Pentru a ajunge la o configurație stabilă de octet pe ultimul strat, adică la configurația gazului nobil neon, aluminiul trebuie să cedeze 3 electroni.

Astfel, se va transforma în ionul aluminiu 3 plus.

În cazul oxigenului, acesta are în total 8 electroni în învelișul său electronic, din care 6 sunt pe ultimul strat.

Deci, pentru a ajunge la configurația de octet a neonului, oxigenului mai trebuie 2 electroni.

Așadar, se va transforma în ionul oxigen 2 minus.

În continuare, haideți să vedem ce este energia de ionizare.

Nucleul unui atom care, după cum știm, are sarcină electrică pozitivă, atrage puternic electronii încărcați negativ, care în acest fel sunt menținuți în învelișul electronic al atomului.

Pentru ca un atom să cedeze un electron, acesta va consuma energie.

Această energie se numește energie de ionizare.

Energia de ionizare reprezintă cantitatea de energie necesară pentru a smulge un electron dintr-un atom al unui element aflat în stare gazoasă.

În urma acestui proces, atomul se transformă, bineînțeles, într-un ion pozitiv.

Cantitatea de energie necesară pentru a smulge electronul cel mai slav reținut se numește prima energie de ionizare sau energie de ionizare primară.

Vom nota energia de ionizare primară cu I1.

Atomii care au mai mulți electroni pe ultimul strad pot ceda succesiv un număr mai mare de electroni,

transformându-se în ion cu sarcină pozitivă corespunzătoare 1+, 2+, 3+, 4+,

și vor avea nevoie de energie de ionizare primară, secundară, terțiară, în funcție de numărul de electron ce dați.

Putem reprezenta în felul următor transformarea atomului în un element E aflat în stare gazoasă în ionul cu sarcină pozitivă E+.

Deci avem elementul în stare gazoasă și aceasta este energia necesară pentru ionizarea primară.

Energia poate fi energie termică, adică căldură, și se poate măsura în kilocalorii pe mol.

Deci din procesul de ionizare rezultă un ion pozitiv și un electron,

electron care va fi împărțit cu un alt atom sau va fi preluat de un alt atom într-o reacție chimică.

Deci electronul nu rămâne pur și simplu în stare liberă.

După cum am spus, energia de ionizare poate fi măsurată în kilocalorii pe mol, dar mai poate fi măsurată și în kilojoul pe mol sau în electron-volți.

Procesul de ionizare poate continua smulgându-se un al doilea electron sub acțiunea unei energii de ionizare in doi

sau se poate smulge și un al treilea electron sub acțiunea unei energiei de ionizare terțiare și așa mai departe.

Electronii rămași în învelișul ionului sunt mai puternic atragi de nucleu datorită surplusului de sarcină pozitivă.

Adică noi extragem un electron și asta înseamnă că rămân mai mulți protonii nucleu decât electroni și cum protonii au sarcină pozitivă,

de a ei surplusul de sarcină pozitivă.

Așadar, energia de ionizare primară e mai mică decât energia de ionizare secundară, care e mai mică decât cea terțiară și tot așa.

În această lecție vom detalia, în principal, variația energiei de ionizare primară.

Deci, oare căror elemente le e mai ușor să cedeze un electron?

Dacă ne uităm în tabelul periodic și ne gândim la configurațiile electronice, ne dăm seama că elementele din grupa întâia principală

au doar cu un electron mai mult față de configurația stabilă de octet a gazului rar din perioada precedentă.

Acestea vor ceda cel mai repede și mai ușor electronul în plus, fără să cedeze prea multă energie.

De exemplu, să luăm un metal alcalin, potasiul, care are această configurație.

1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, până aici este configurația argonului și potasiul mai are un electron în substratul 4s.

Potasiul vrea să ajungă și el la această configurație argonului, deci își va ceda foarte ușor electronul care îl incomodează.

Asta înseamnă că energia de ionizare necesară pentru transformarea potasiului în ionul pozitiv potasiu plus este foarte scăzută.

Acest lucru e valabil pentru toate metalele alcaline care formează grupa întâia principală.

Pe măsură ce coborăm în grupă, norul electronic se face tot mai mare,

deci al 55-lea electron al cesiului este mult mai departe de nucleu decât al 3-lea electron din cazul litiului.

Așadar, la litiu se mai resimte totuși o atracție între protonii cu sarcină pozitivă din nucleu și electronii cu sarcină negativă din umbeliș.

Dar în cazul cesiului această atracție este mult mai slabă, așa că cesiul este și mai dispus să își cedeze electronul,

deci va avea nevoie de o energie de ionizare și mai mică față de primele elemente din grupă.

Energia de ionizare descrește deci de sus în jos în grupă.

În perioadă, energia de ionizare crește de la stânga la dreapta.

Asta deoarece, spre dreapta, ultimul nivel energetic începe să aibă din ce în ce mai mulți electroni.

Astfel, atomii preferă să primească electroni, nu să cedeze.

Spre exemplu, florului mai lipsește un singur electron pentru a ajunge la configurația de octeta neonului.

Deci, configurația florului este 1s² 2s² 2p⁵

Iar configurația neonului este 1s² 2s² 2p⁶

Energia de ionizare este foarte ridicată având în vedere că aceste elemente nu vor să cedeze electronii atât de ușor

din moment ce sunt atât de aproape de configurația de octet.

Să nu mai zic de elementele din grupă 8a principală.

Ele au deja cele mai stabile configurații, așa că nu au de gând să-și parte electronii.

E aproape imposibil să smulgem un electron de la argon, spre exemplu.

Argon nu necesită o energie de ionizare foarte, foarte mare, încât nici nu merită o steneală.

Avem aici un grafic al energiilor de ionizare.

Aceste energii chiar au fost măsurate, iar aceasta este reprezentarea lor grafică.

Oamenii de știință au analizat tot felul de date reprezentate astfel, date legate de proprietățile elementelor,

și au observat că există modele repetitive, adică au observat că se repetă periodic anumite proprietăți.

Chiar pe baza acestui fel de observații s-a ajuns la forma actuală a tabelului periodic.

Vedem că energia de ionizare pentru acest grafic e calculată în electron-volt.

Deci graficul redă relația dintre energia de ionizare și numărul atomic al elementelor.

Vedem cum pe măsură ce crește numărul atomic Z la elementele unei grupe, energia de ionizare scade.

Aici sunt reprezentate elementele grupe a întâia, principale, litiu, sodiu, potasiu, cu hidrogenul având o energie ceva mai ridicată.

În cazul elementelor din grupa a șaptea și optea principală, vedem că energia e foarte ridicată, adică aceste elemente vor ceda electron foarte greu.

Fiecare perioadă începe cu metalele alcaline având o valoare minimă și se termină cu gazele nobile care au o valoare maximă a energiei de ionizare.

De exemplu, aceasta e perioada a doua care începe cu litiu și se termină cu neonul.

După argon urmează perioada a patra.

Până aici am avut perioadele scurte care au numai elemente din blocurile S și P.

După argon urmează perioada a patra unde apar și elementele tranziționale, deci apar mai multe substraturi care trebuie completate.

După xenon apare și blocul F cu lantanidele și actinidele, de aceea această distanță se mărește pentru perioada a șasea și a șaptea.

Așadar, cele mai mici valori ale energiilor de ionizare le au elementele situate în colțul din stâng a jos al tabelului period.

Aceasta explică modul în care elementele din grupa întâia, principală, reacționează cu apa.

Cesiul reacționează cu explozie, potasiul reacționează cu degăjarea unei mari cantități de căldură, deci din reacție se degajă hidrogen care se aprinde de la sine.

Sodiul reacționează cu apa cu degăjare de căldură, adică apa din vas se încălzește.

Iar cele mai mari energii de ionizare le au elementele din colțul dreapta sus al tabelului periodic.

În cazul unora dintre aceste elemente, energiile de ionizare ating valori atât de mari, încât e greu sau chiar imposibil să se cedeze electron din înveniși.

În astfel de cazuri, aceste elemente doar vor primi electron pentru a-și realiza configurațiile stabile.

Până acum am discutat numai despre variația periodică a proprietăților fizice ale unui atom, adică despre volumul atomic și frazele atomice și ionice,

și despre energia de ionizare a atomilor, adică energia necesară smulgerii unui electron din învenișul electronic.

Haideți să reluăm acum, pe scurt, felul în care aceste proprietăți variază.

Deci, volumul atomic, odată cu raza atomică, crește de sus în jos în grupă, iar în perioadă scade de la stânga la dreapta,

sau, dacă vă-i mai ușor, puteți spune că volumul atomic crește de la dreapta la stânga.

Energia de ionizare scade de sus în jos în grupă, iar în perioadă crește de la stânga la dreapta.

Cât despre raza ionică, raza ionilor pozitivi crește în grupă de sus în jos, iar în perioadă crește de la dreapta la stânga.

La fel variază și raza ionilor negativi, crește în grupă de sus în jos și crește în perioadă de la dreapta la stânga.

În lecția viitoare vom discuta despre variația în tabelul periodic a proprietăților chimice ale atomilor.