Как определить энергию ионизации: тренды и исключения

Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного атома или иона, например, 738 кДж/моль для первого электрона магния. Она возрастает по периоду и снижается вниз по группе, с провалами у бора и кислорода, и скачкообразно увеличивается примерно пять раз, когда следующий электрон поступает из ядра. ПРАВИЛА • Определение: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Первая энергия ионизации исходит от нейтрального атома; вторая — от иона 1+. Удаление электрона всегда требует энергии, поэтому ионизация всегда эндотермична. • Каждый электрон после первого требует больше энергии: то же количество протонов удерживает на один электрон меньше, поэтому каждый оставшийся электрон удерживается сильнее. Магний: 738, 1451, затем 7733 кДж/моль. • Ядро — это стенка. Магний имеет структуру 1s² 2s² 2p⁶ 3s²: два валентных электрона в 3s-оболочке, десять электронов внутренних оболочек. Третий электрон должен быть из оболочки n = 2, расположенной ближе к ядру и удерживаемой гораздо плотнее, примерно в пять раз сильнее второго. Именно поэтому магний образует Mg²⁺ и останавливается. • Вдоль периода энергия ионизации возрастает, поскольку эффективный ядерный заряд Z_eff (Z минус электроны внутренних оболочек, по нашим подсчетам) увеличивается, в то время как электрон остается в той же оболочке. 2-й период: Li около 520, F около 1680 кДж/моль, более чем в три раза больше, чем при переходе Z_eff от 1 к 7. • Вниз по группе энергия ионизации падает, но не потому, что притяжение ослабевает: по нашим подсчетам Z_eff остается на одном уровне. Работа совершается расстоянием, поскольку каждый ряд помещает внешний электрон в оболочку с большим n. Группа 1: Li 520, Na 496, K 419, Cs 376 кДж/моль. Щелочные металлы имеют низкие значения, потому что внешний электрон находится один в новой оболочке, далеко от ядра. • Провал энергии у бора: Be составляет около 900 кДж/моль, B около 800. Внешние электроны бериллия находятся в 2s-орбитали; самый внешний электрон бора находится в 2p-орбитали, подоболочке с немного большей энергией, поэтому он легче отрывается. • Провал энергии у кислорода: N составляет около 1400 кДж/моль, O около 1310. Три электрона 2p азота располагаются по одному на орбиталь (правило Хунда); четвертый электрон кислорода должен образовать пару, а парные электроны сильнее отталкиваются, поэтому он легче отрывается. • Притяжение определяет подъем; конфигурация определяет провалы. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ • У какого из веществ самая высокая первая энергия ионизации: I, Na, Cs, K или Cl? Na, K и Cs находятся в одной группе, и наименьший n удерживает электрон сильнее: Na. Cl и I находятся в одной группе: Cl. Na против Cl: тот же период, та же оболочка, Z_eff около 1 против примерно 7, поэтому Cl удерживает свой внешний электрон сильнее. Ответ: хлор, 1251 кДж/моль, против I 1008, Na 496, K 419, Cs 376. Ионизация является эндотермической. БЫСТРЫЕ ОТВЕТЫ Что такое энергия ионизации простыми словами? Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного атома или иона: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Это всегда положительная, эндотермическая энергия, например, 738 кДж/моль для удаления первого электрона из магния. Каковы первая и вторая энергии ионизации? Первая энергия ионизации — это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из нейтрального газообразного атома X(g). Вторая — это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного иона X⁺(g). Для магния они составляют 738 и 1451 кДж/моль. Почему вторая энергия ионизации больше первой? Ион имеет то же количество протонов, но на один электрон меньше, поэтому каждый оставшийся электрон удерживается сильнее и его труднее удалить. Каждая последующая ионизация обходится дороже. Какая тенденция наблюдается в периодической таблице? Она увеличивается по периоду, потому что Z_eff возрастает, пока электрон остается в той же оболочке, и уменьшается вниз по группе, потому что в нашем случае Z_eff остается на одном уровне, пока внешний электрон находится в большей оболочке, дальше от нее. Бор и кислород опускаются ниже этой тенденции из-за своих конфигураций. Почему после валентных электронов происходит такой резкий скачок энергии ионизации? Следующий электрон поступает из внутренней оболочки, расположенной ближе к ядру и удерживаемой гораздо плотнее. Третья энергия ионизации магния составляет 7733 кДж/моль, что примерно в пять раз больше, чем вторая (1451 кДж/моль), поэтому магний образует Mg²⁺ и останавливается. У какого из веществ самая высокая первая энергия ионизации: I, Na, Cs, K или Cl? У хлора — 1251 кДж/моль. Внутри группы побеждает наименьшее значение n (Na среди Na, K, Cs; Cl среди Cl, I), и Cl превосходит Na в том же периоде, потому что его Z_eff составляет около 7 против примерно 1. ГЛАВЫ 0:00 Третий электрон магния: что мы измеряем 0:11 Что такое энергия ионизации 0:30 Почему каждый электрон стоит дороже 0:41 Магний: два валентных электрона, затем ядро 1:20 По 2-му периоду: более сильное притяжение 1:49 Вниз по 1-й гру...