Definition af anden ioniseringsenergi

Den anden ioniseringsenergi er defineret ved ligningen:

Det er den energi, der er nødvendig for at fjerne en anden elektron fra hver ion i 1 mol gasformige 1+-ioner for at give gasformige 2+-ioner.

Flere ioniseringsenergier

Der kan så være lige så mange på hinanden følgende ioniseringsenergier, som der er elektroner i det oprindelige atom.

De fire første ioniseringsenergier for aluminium er f.eks. givet ved

		1. I.E. = 577 kJ mol-1
		2. I.E. = 1820 kJ mol-1
		3. I.E. = 2740 kJ mol-1
		4. I.E. = 11600 kJ mol-1

For at danne en Al3+(g)-ion fra Al(g) skal man tilføre:

577 + 1820 + 2740 = 5137 kJ mol-1

Det er en masse energi. Hvorfor danner aluminium så Al3+-ioner?

Det kan kun danne dem, hvis det kan få denne energi tilbage et eller andet sted fra, og om det kan lade sig gøre afhænger af, hvad det reagerer med.

For eksempel, hvis aluminium reagerer med fluor eller ilt, kan det genvinde denne energi i forskellige ændringer, der involverer fluor eller ilt – og så indeholder aluminiumsfluorid eller aluminiumoxid Al3+-ioner.

Hvis det reagerer med klor, kan det ikke genvinde tilstrækkelig energi, og derfor er fast vandfrit aluminiumchlorid faktisk ikke ionisk – i stedet danner det kovalente bindinger.

Hvorfor danner aluminium ikke en Al4+-ion? Den fjerde ioniseringsenergi er enorm i forhold til de tre første, og der er intet, som aluminium kan reagere med, som ville gøre det muligt for det at genvinde den ekstra energimængde.

Hvorfor bliver de successive ioniseringsenergier større?

Når man har fjernet den første elektron, står man tilbage med en positiv ion. Det vil være vanskeligere at forsøge at fjerne en negativ elektron fra en positiv ion end at fjerne den fra et atom. At fjerne en elektron fra en 2+ eller 3+ (osv.) ion vil være gradvist vanskeligere.

Hvorfor er den fjerde ioniseringsenergi for aluminium så stor?

Aluminiums elektroniske struktur er 1s22s22p63s23px1. De første tre elektroner, der skal fjernes, er de tre elektroner i 3p- og 3s-bobitalerne. Når de er væk, fjernes den fjerde elektron fra 2p-niveauet – meget tættere på kernen og kun afskærmet af 1s2-elektronerne (og til en vis grad 2s2-elektronerne).

Anvendelse af ioniseringsenergier til at finde ud af, hvilken gruppe et grundstof er i

Dette store spring mellem to på hinanden følgende ioniseringsenergier er typisk for pludselig at bryde ind på et indre niveau. Du kan bruge dette til at regne ud, hvilken gruppe i det periodiske system et grundstof er i ud fra dets på hinanden følgende ioniseringsenergier.

Magnesium (1s22s22p63s2) er i gruppe 2 i det periodiske system og har på hinanden følgende ioniseringsenergier:

Her sker det store spring efter den anden ioniseringsenergi. Det betyder, at der er 2 elektroner, som er relativt lette at fjerne (3s2-elektronerne), mens den tredje er meget vanskeligere (fordi den kommer fra et indre niveau – tættere på kernen og med mindre afskærmning).

Silicium (1s22s22p63s23px13py1) er i gruppe 4 i det periodiske system og har på hinanden følgende ioniseringsenergier:

Her kommer det store spring efter, at den fjerde elektron er blevet fjernet. De første 4 elektroner kommer fra 3-niveauorbitalerne; den femte kommer fra 2-niveauorbitalerne.

Læren af alt dette:

Tæl de lette elektroner – dem op til (men ikke inklusive) det store spring. Det er det samme som gruppenummeret.

Et andet eksempel:

Beslut, hvilken gruppe et atom er i, hvis det har på hinanden følgende ioniseringsenergier:

Ioniseringsenergierne stiger et eller to tusind ad gangen for de første fem. Derefter er der et stort spring på omkring 15000. Der er 5 relativt nemme elektroner – så grundstoffet er i gruppe 5.

Udforskningen af mønstrene mere detaljeret

Hvis man tegner grafer over de på hinanden følgende ioniseringsenergier for et bestemt grundstof, kan man se de udsving, der er forårsaget af, at de forskellige elektroner bliver fjernet.

Man kan ikke kun se de store spring i ioniseringsenergien, når en elektron kommer fra et indre niveau, men man kan også se de mindre udsving inden for et niveau, alt efter om elektronen kommer fra en s- eller p-orbital, og endda om den er parret eller uparret i denne orbital.

Klor har den elektroniske struktur 1s22s22p63s23px23py23pz1.

Denne graf viser de første otte ioniseringsenergier for klor. De grønne etiketter viser, hvilken elektron der fjernes for hver af ioniseringsenergierne.

Hvis du lægger en lineal på det første og andet punkt for at fastslå tendensen, vil du opdage, at det tredje, fjerde og femte punkt ligger over den værdi, du ville forvente. Det skyldes, at de to første elektroner kommer fra par i 3p-niveauet og derfor er noget lettere at fjerne, end hvis de var uparrede.

Og hvis man igen sætter en lineal på det 3., 4. og 5. punkt for at fastslå deres tendens, vil man opdage, at det 6. og 7. punkt ligger et godt stykke over de værdier, man ville forvente ved en fortsættelse af tendensen. Det skyldes, at 6. og 7. elektroner kommer fra 3s niveauet – lidt tættere på kernen og lidt mindre godt skærmet.

Det massive spring, når man bryder ind i det indre niveau ved den 8. elektron, er ret tydeligt!