Kakkosionisaatioenergian määrittely

Kakkosionisaatioenergia määritellään yhtälöllä:

Se on energia, joka tarvitaan, jotta jokaisesta ionista irtoaa toinen elektroni yhdestä moolista kaasumaisia 1+-ioneja kaasumaisia 2+-ioneja.

Muut ionisaatioenergiat

Tällöin peräkkäisiä ionisaatioenergioita voi olla niin monta kuin alkuperäisessä atomissa on elektroneja.

Esimerkiksi alumiinin neljä ensimmäistä ionisaatioenergiaa saadaan

		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

Al(g)sta Al3+(g)-ionin muodostamiseksi Al(g):

577 + 1820 + 2740 = 5137 kJ mol-1

Se on paljon energiaa. Miksi alumiini sitten muodostaa Al3+ -ioneja?

Se voi muodostaa niitä vain, jos se voi saada tuon energian takaisin jostain, ja se, onko se mahdollista, riippuu siitä, minkä kanssa se reagoi.

Jos alumiini reagoi esimerkiksi fluorin tai hapen kanssa, se voi saada tuon energian takaisin erilaisissa muutoksissa, joissa fluori tai happi on osallisena – ja niinpä alumiinifluoridi tai alumiinioksidi sisältävät Al3+ -ioneja.

Jos se reagoi kloorin kanssa, se ei saa riittävästi energiaa takaisin, joten kiinteä vedetön alumiinikloridi ei ole varsinaisesti ioninen – sen sijaan se muodostaa kovalenttisia sidoksia.

Miksi alumiini ei muodosta Al4+-ionia? Neljäs ionisaatioenergia on valtava verrattuna kolmeen ensimmäiseen, eikä alumiini voi reagoida minkään sellaisen aineen kanssa, jonka kanssa se voisi saada takaisin tuon ylimääräisen energiamäärän.

Miksi peräkkäiset ionisaatioenergiat kasvavat?

Kun ensimmäinen elektroni on poistettu, jäljelle jää positiivinen ioni. Negatiivisen elektronin poistaminen positiivisesta ionista on vaikeampaa kuin sen poistaminen atomista. Elektronin poistaminen 2+ tai 3+ (jne.) ionista tulee olemaan asteittain vaikeampaa.

Miksi alumiinin neljäs ionisaatioenergia on niin suuri?

Alumiinin elektronirakenne on 1s22s22p63s23px1. Kolme ensimmäistä poistuvaa elektronia ovat kolme elektronia 3p- ja 3s-orbitaaleissa. Kun ne ovat poistuneet, neljäs elektroni poistetaan 2p-tasolta, joka on paljon lähempänä ydintä ja jota suojaavat vain 1s2-elektronit (ja jossain määrin myös 2s2-elektronit).

Ionisaatioenergioiden käyttäminen sen selvittämiseksi, mihin ryhmään alkuaine kuuluu

Tämä suuri hyppäys kahden peräkkäisen ionisaatioenergian välillä on tyypillistä äkilliselle sisemmälle tasolle murtautumiselle. Tämän avulla voit selvittää peräkkäisten ionisaatioenergioiden perusteella, mihin jaksollisen järjestelmän ryhmään alkuaine kuuluu.

Magnesium (1s22s22p63s2) kuuluu jaksollisen järjestelmän ryhmään 2, ja sillä on peräkkäiset ionisaatioenergiat:

Tässä suuri hyppäys tapahtuu toisen ionisaatioenergian jälkeen. Se tarkoittaa, että kaksi elektronia on suhteellisen helppo poistaa (3s2-elektronit), kun taas kolmas elektroni on paljon vaikeampi (koska se tulee sisemmältä tasolta – lähempänä ydintä ja vähemmän varjostusta).

Piikillä (1s22s22p63s23px13py1) on jaksollisen järjestelmän ryhmässä 4 ja sillä on peräkkäiset ionisaatioenergiat:

Suuri hyppäys tapahtuu neljännen elektronin poiston jälkeen. Ensimmäiset 4 elektronia tulevat 3-tason orbitaaleista; viides elektroni 2-tason orbitaaleista.

Oppi tästä kaikesta:

Laskekaa helpot elektronit – ne, jotka ovat isoon hyppyyn asti (mutta eivät sisällä). Se on sama kuin ryhmänumero.

Toinen esimerkki:

Päättele, mihin ryhmään atomi kuuluu, jos sillä on peräkkäiset ionisaatioenergiat:

Ionisaatioenergiat nousevat viidellä ensimmäisellä tuhannella tai kahdella tuhannella kerrallaan. Sitten tulee valtava hyppäys noin 15000. Suhteellisen helppoja elektroneja on viisi – alkuaine kuuluu siis ryhmään 5.

Kuvioiden tutkiminen tarkemmin

Jos piirretään tietyn alkuaineen peräkkäisten ionisaatioenergioiden kuvaajat, nähdään eri elektronien poistumisen aiheuttamat vaihtelut siinä.

Ei vain näe suuria hyppäyksiä ionisaatioenergiassa, kun elektroni tulee sisemmältä tasolta, vaan näkee myös pienet vaihtelut tason sisällä riippuen siitä, tuleeko elektroni s- vai p-orbitaalista, ja jopa siitä, onko se kyseisellä orbitaalilla parittainen vai pariton.

Kloorilla on elektronirakenne 1s22s22p63s23px23py23pz1.

Tässä kuvaajassa on esitetty kloorin kahdeksan ensimmäistä ionisaatioenergiaa. Vihreät merkinnät osoittavat, mikä elektroni poistetaan kunkin ionisaatioenergian kohdalla.

Jos asetat viivottimen ensimmäisen ja toisen pisteen kohdalle trendin toteamiseksi, huomaat, että kolmas, neljäs ja viides piste ovat odotetun arvon yläpuolella. Tämä johtuu siitä, että kaksi ensimmäistä elektronia tulevat 3p-tasojen pareista ja ovat siksi melko helpommin poistettavissa kuin jos ne olisivat parittomia.

Jos taas asetat viivottimen 3., 4. ja 5. pisteen kohdalle määrittääksesi niiden trendin, huomaat, että 6. ja 7. piste sijaitsevat selvästi niiden arvojen yläpuolella, joita odottaisit trendin jatkumisen perusteella. Tämä johtuu siitä, että 6. ja 7. elektroni tulevat 3s-tasolta – joka on hieman lähempänä ydintä ja hieman huonommin varjostettu.

Massiivinen hyppäys, kun murtaudutaan sisäiselle tasolle 8. elektronin kohdalla, on melko ilmeinen!