Йонизационна енергия: промяна на свойствата в групите на периодичната система

Йонизационната енергия представлява енергията, която е необходима, за да се отдели електрон от неутрален атом. Тук на екрана с А сме означили неутрален атом, което означава, че той има равен брой протони и електрони. И тъй като положително зареденото ядро привлича отрицателно заредените електрони, е нужна енергия, за да се "освободи" електрона от действието на тази сила на привличане от ядрото. Тази енергия се нарича йонизационна енергия. Ако отнемем един електрон, вече в атома няма да има равен брой протони и електрони. Протоните ще бъдат с един повече от електроните. И получаваме заряд +1. Образува се йон. Йонизационната енергия винаги е положителна. Винаги е нужна енергия, за да се отдели електрон. Йонизационната енергия е с положителен знак. Мерните единици, с които се измерва тя, са килоджаули на мол. В това видео ще говорим само за първата йонизационна енергия. Означаваме я като IE1, ето така. Нека разгледаме някои реални йонизационни енергии за елементи от първа група. Тук виждаме някои елементи от първа група. За водорода са нужни 1312 килоджаула на мол – това е енергията за отделяне на електрон от водорода. За лития ще са нужни около 520 килоджаула на мол, за да се отдели първия електрон. Виждаме, че с нарастване на атомния номер тази стойност намалява. За натрия йонизационната енергия е 496. За калия тя е 419. Наблюдаваме ясна закономерност. Когато нараства поредният номер на елементите в групата, има ясно намаление на йонизационната им енергия. Става все по-лесно да се отдели електрон. Да видим дали можем да открием причината. Да разгледаме в детайли тези два елемента. Водород и литий. Ще разгледаме тези диаграми и ще ги запълним за водорода и лития. На първата диаграма ще сложим водород. Водородът има атомен номер едно. Има един протон в ядрото. Зарядът на ядрото му е +1. Неутралният водороден атом има един електрон. Можем да начертаем единствения електрон на водорода тук, ето така. Електронната конфигурация на водорода е 1s1. Този единствен електрон е в s-орбиталата на първо енергийно ниво. Този отрицателно зареден електрон е подложен на привличането на положително зареденото ядро. За да отделим електрона, трябва да добавим енергия. Ако добавим енергия 1312 килоджаула на мол, можем да отделим този електрон. Ако направим това, остава само заряд +1 в ядрото и никакви електрони около него. Това вече не е неутрален атом. Това е йон. Имаш Н+, понеже имаш +1 заряд в ядрото и нула електрони. Н+. Ето това представлява йонизационна енергия. Нека разгледаме лития. Тук долу ще начертаем лития. Литият има атомен номер 3. Тоест три протона в ядрото. Неутралният литиев атом има три електрона, тоест електронната му конфигурация е 1s2 2s1. Има два електрона в първото енергийно ниво и те са в s-орбитала. Ще начертая тези тук. Тези два електрона, които току-що начертах, представляват двата електрона в първото енергийно ниво. Във второто енергийно ниво има още един електрон. Ще поставя този електрон ето тук долу. (чертае) За лития – ако искаме да отделим един електрон, този, който е най-вероятно да се откъсне пръв, ще е този най-външният електрон тук, този в 2s орбиталата. Ако приложим енергия 520 килоджаула на мол, можем да отделим този електрон. И ако направим това, ще остане заряд +3 в ядрото, остават електроните в 1s-орбиталата, които ще начертая тук, но липсва този външен електрон. Следователно това е литиев катион. Ще имаме Li +1, понеже има три положителни заряда в ядрото и сега електроните са само два. 3 – 2 дава +1. Електронната конфигурация за литиевия катион следователно е 1s2, понеже отделихме този външен електрон в 2s-орбиталата. Ето така изглежда йонизацията на водорода и лития. Сега ще разгледаме някои от факторите, които влияят на йонизационната енергия. Първо ще разгледаме заряда на ядрото. Тук ще запиша заряд на ядрото. Идеята за ядрения заряд е, че колкото повече положителни заряди има в ядрото, толкова по-голяма сила на привличане действа върху електрона, следователно толкова по-трудно ще бъде да се отдели този електрон. Като цяло, можем да кажем, че колкото по-голям е зарядът на ядрото, толкова по-голяма е йонизационната енергия. Понеже, повтарям, има по-голяма сила на привличане, която действа върху електроните. Нека разгледаме тези две ситуации и да помислим първо за водорода. Водородът има заряд на ядрото +1. И този единствен електрон тук се привлича от ядрото от този положителен заряд. Ако разгледаме лития, неговото ядро има заряд +3. Това е по-голям ядрен заряд. Само като разглеждаме ядрения заряд, можем да заключим, че този електрон ще се привлича от ядрото по-силно, отколкото при водорода, понеже +3 е по-голямо от +1. Само като сравним ядрените заряди на двата атома, виждаме, че върху външния електрон на лития действа по-голяма сила на привличане от ядрото. Следователно, можем да заключим, че ще е нужна повече енергия, за да се отдели този електрон. Само като разглеждаме зарядите на ядрата, можем да очакваме нарастване на йонизационната енергия. Сега да разгледаме екранирането на електроните. Екранирането на електроните или засенчване на електроните. Екраниране на електроните означава, че електроните от вътрешния слой ще "скриват" външните електрони от положителния заряд на ядрото. Да разгледаме лития като пример за това. Имаме тези два електрона във вътрешния слой, които отблъскват електрона във външния слой. Този електрон в синьо отблъсква електрона в зелено и този електрон в синьо отблъсква електрона в зелено. И те ще екранират, ще намалят привличането на зеления електрон от положителния заряд в ядрото, понеже електроните се отблъскват помежду си – подобните заряди отблъскват подобните на тях заряди. Ето това представлява екранирането на електроните. Ако отчитаме само този фактор, в атома на лития тези два електрона от вътрешния слой ще екранират този електрон от външния слой. Ще действа сила в противоположна посока, ако искаш да си го представиш така. И това означава, че ще е по-лесно да се отдели този външен електрон, поради силата на отблъскване на тези електрони. Ако разглеждаме само екранирането на електроните, би било по-лесно да се отдели външния електрон на лития поради ефекта на екранирането. Следователно ще е нужна по-малко енергия, наблюдаваме намаление на йонизационната енергия, ако разглеждаме само този фактор. Но ядреният заряд и екранирането на електроните вървят ръка за ръка. За да отчетем тези два фактора едновременно, разглеждаме така наречения "ефективен ядрен заряд". Ще запиша ефективен ядрен заряд, отбелязваме го съкратено z ефективен, който е равен на ядрения заряд, който е z, минус ефекта на екранирането на електроните. Това е един начин да го разглеждаме. Това е много опростен начин да направим изчисленията. Нека разгледаме първо водорода и да изчислим ефективния ядрен заряд, който действа върху този електрон. Ядрото има заряд +1. Това е ядреният заряд z, и има нула екраниращи електрони. 1 - 0 е, разбира се, +1. Този външен електрон изпитва ефективен ядрен заряд от +1. Атомът на лития има три протона в ядрото си. z ще е +3. И има два екраниращи електрона – тези два електрона във вътрешния слой. Това ще е +3 - 2. Тоест ефективният ядрен заряд е равен на +1. Ако ги сравним, ефективният ядрен заряд, който изпитва този електрон на водорода, е приблизително същия като този, който изпитва външният електрон на лития, понеже и двата имат ефективен ядрен заряд +1. Тоест при лития това екраниране на електроните донякъде неутрализира действието на по-големия ядрен заряд. Тези две неща се неутрализират. Разбира се, това е много опростен начин да изчислим ефекта на ядрения заряд. В реалността за лития, ако използваме по-сложния начин, ще получим ефективен ядрен заряд приблизително 1,3. Тоест можем да кажем, че ефективният ядрен заряд на лития е близо до +1, въпреки че е по-точно да кажем, че е около 1,3. Но ще се задоволим да кажем, че екранирането на електроните в атома на лития неутрализира неговият по-висок ядрен заряд. Сега да разгледаме последния фактор, за да разберем този модел. Последният фактор е разстоянието от този външен електрон до ядрото. Нека помислим за това. В атома на водорода този електрон е доста близо до ядрото. И колкото по-близо е, с толкова по-голяма сила на привличане му въздейства ядрото. Съгласно закона на Кулон силата на взаимодействие на зарядите зависи от разстоянието между тях. Колкото по-близко са зарядите, толкова по-голяма е силата на привличане между тях. Този електрон е подложен на много голяма сила на привличане, така че е трудно този електрон да бъде отделен от атома. В атома на лития електронът във външния слой е на по-голямо разстояние от ядрото, следователно не е подложен на толкова силно привличане към ядрото. Няма толкова голяма сила на привличане, така че този външен електрон е по-лесно да бъде отделен. Щом е по-лесно да се отдели външния електрон, това означава по-ниска йонизационна енергия. Така че поради разстоянието можем да кажем, че е по-лесно да се отдели външния електрон на лития, защото се намира по-далеч от ядрото. Когато отчетем сумарно тези три фактора, то ядреният заряд и екранирането на електроните донякъде се неутрализират. Тогава остава факторът отдалеченост от ядрото, чрез който можем да обясним промяната на йонизационната енергия при промяна на атомния номер в групите.