A második ionizációs energia meghatározása

A második ionizációs energiát a következő egyenlet határozza meg:

Az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy 1 mol gáznemű 1+ ionból minden ionból egy második elektront távolítsunk el, hogy gáznemű 2+ ionokat kapjunk.

Még több ionizációs energia

Ezután annyi egymást követő ionizációs energia lehet, ahány elektron van az eredeti atomban.

Az alumínium első négy ionizációs energiáját például

		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

Hogy Al(g)-ből Al3+(g)-iont képezzünk, ehhez:

577 + 1820 + 2740 = 5137 kJ mol-1

Ez nagyon sok energia. Miért képez tehát az alumínium Al3+ ionokat?

Az alumínium csak akkor tudja képezni őket, ha ezt az energiát valahonnan vissza tudja nyerni, és hogy ez megvalósítható-e, az attól függ, hogy mivel reagál.

Ha például az alumínium fluorral vagy oxigénnel reagál, akkor ezt az energiát a fluor vagy az oxigén különböző változásai során vissza tudja nyerni – és így az alumínium-fluorid vagy az alumínium-oxid Al3+ ionokat tartalmaz.

Ha klórral reagál, nem tud elegendő energiát visszanyerni, ezért a szilárd vízmentes alumínium-klorid valójában nem ionos – ehelyett kovalens kötéseket képez.

Miért nem képez az alumínium Al4+ iont? A negyedik ionizációs energia óriási az első háromhoz képest, és nincs semmi, amivel az alumínium reagálni tudna, ami lehetővé tenné, hogy visszanyerje ezt az extra energiamennyiséget.

Miért lesznek nagyobbak az egymást követő ionizációs energiák?

Amint eltávolítottuk az első elektront, pozitív ion marad. Megpróbálni egy negatív elektront eltávolítani egy pozitív ionból nehezebb lesz, mint egy atomból. Egy 2+ vagy 3+ (stb.) ionból elektron eltávolítása egyre nehezebb lesz.

Miért olyan nagy az alumínium negyedik ionizációs energiája?

Az alumínium elektronszerkezete 1s22s22p63s23px1. Az első három elektron a 3p és 3s pályán lévő három elektron. Miután ezek eltűntek, a negyedik elektront a 2p szintről távolítják el – ez sokkal közelebb van az atommaghoz, és csak az 1s2 (és bizonyos mértékig a 2s2) elektronok árnyékolják.

Az ionizációs energiák felhasználása annak megállapítására, hogy egy elem melyik csoportba tartozik

Ez a nagy ugrás két egymást követő ionizációs energia között jellemző a belső szintre való hirtelen betörésre. Ezt felhasználhatjuk arra, hogy az egymást követő ionizációs energiákból kiszámítsuk, hogy egy elem a periódusos rendszer melyik csoportjába tartozik.

A magnézium (1s22s22p63s2) a periódusos rendszer 2. csoportjába tartozik, és egymást követő ionizációs energiái:

Itt a nagy ugrás a második ionizációs energia után következik be. Ez azt jelenti, hogy 2 elektron viszonylag könnyen eltávolítható (a 3s2 elektronok), míg a harmadik sokkal nehezebb (mert egy belső – az atommaghoz közelebbi és kevésbé árnyékolt – szintről származik).

A szilícium (1s22s22p63s23px13py1) a periódusos rendszer 4. csoportjában van, és egymást követő ionizációs energiákkal rendelkezik:

Itt a nagy ugrás a negyedik elektron eltávolítása után következik be. Az első 4 elektron a 3-szintű pályákról származik; az ötödik a 2-szintűről.

A tanulság mindebből:

Számoljuk meg a könnyű elektronokat – azokat a nagy ugrásig (de nem beleértve). Ez megegyezik a csoportszámmal.

Egy másik példa:

Meghatározni, hogy egy atom melyik csoportba tartozik, ha egymást követő ionizációs energiái vannak:

Az ionizációs energiák az első ötnél egyszerre egy-két ezrelékkel emelkednek. Aztán jön egy hatalmas ugrás, kb. 15000. Van 5 viszonylag könnyű elektron – tehát az elem az 5. csoportba tartozik.

A minták részletesebb vizsgálata

Ha egy adott elem egymást követő ionizációs energiáinak grafikonjait ábrázoljuk, láthatjuk a különböző elektronok eltávolítása által okozott ingadozásokat.

Nemcsak az ionizációs energia nagy ugrásait láthatjuk, amikor egy elektron egy belső szintről érkezik, hanem láthatjuk a szinten belüli kisebb ingadozásokat is, attól függően, hogy az elektron egy s vagy egy p orbitálról érkezik, és még azt is, hogy páros vagy párosítatlan az adott orbitálon.

A klór elektronszerkezete 1s22s22p63s23px23py23pz1.

Ez a grafikon a klór első nyolc ionizációs energiáját ábrázolja. A zöld feliratok azt mutatják, hogy az egyes ionizációs energiáknál melyik elektront távolítjuk el.

Ha az első és második pontra vonalzót teszünk, hogy megállapítsuk a tendenciát, azt fogjuk látni, hogy a harmadik, negyedik és ötödik pont a várt érték felett van. Ennek az az oka, hogy az első két elektron a 3p szintek párjaiból származik, és ezért meglehetősen könnyebb őket eltávolítani, mintha párosítatlanok lennének.

Még ha a trend megállapításához a 3., 4. és 5. pontra vonalzót teszünk, azt találjuk, hogy a 6. és 7. pont jóval a trend folytatásaként várható értékek felett fekszik. Ez azért van, mert a 6. és 7. elektronok a 3s szintről érkeznek – valamivel közelebb az atommaghoz és valamivel kevésbé jól árnyékolva.

A hatalmas ugrás, ahogy a 8. elektronnál betörünk a belső szintre, eléggé nyilvánvaló!