Definicja drugiej energii jonizacji

Druga energia jonizacji jest zdefiniowana równaniem:

Jest to energia potrzebna do usunięcia drugiego elektronu z każdego jonu w 1 molu gazowych jonów 1+, aby otrzymać gazowe jony 2+.

Więcej energii jonizacji

Można wtedy mieć tyle kolejnych energii jonizacji, ile jest elektronów w pierwotnym atomie.

Pierwsze cztery energie jonizacji np. aluminium są dane przez

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

Aby z Al(g) powstał jon Al3+(g) trzeba by dostarczyć:

577 + 1820 + 2740 = 5137 kJ mol-1

To dużo energii. Dlaczego więc aluminium tworzy jony Al3+?

Może je tworzyć tylko wtedy, gdy może skądś odzyskać tę energię, a czy jest to wykonalne, zależy od tego, z czym reaguje.

Na przykład, jeśli aluminium reaguje z fluorem lub tlenem, może odzyskać tę energię w różnych przemianach z udziałem fluoru lub tlenu – i tak fluorek glinu lub tlenek glinu zawierają jony Al3+.

Jeżeli reaguje z chlorem, nie może odzyskać wystarczającej energii, a więc stały bezwodny chlorek glinu nie jest w rzeczywistości jonowy – zamiast tego tworzy wiązania kowalencyjne.

Dlaczego aluminium nie tworzy jonu Al4+? Czwarta energia jonizacji jest ogromna w porównaniu z pierwszymi trzema i nie ma niczego, z czym aluminium może reagować, co pozwoliłoby mu odzyskać tę ilość dodatkowej energii.

Dlaczego kolejne energie jonizacji są coraz większe?

Po usunięciu pierwszego elektronu zostajesz z jonem dodatnim. Próba usunięcia elektronu ujemnego z jonu dodatniego będzie trudniejsza niż usunięcie go z atomu. Usunięcie elektronu z jonu 2+ lub 3+ (itd.) będzie stopniowo coraz trudniejsze.

Dlaczego czwarta energia jonizacji aluminium jest tak duża?

Struktura elektronowa aluminium to 1s22s22p63s23px1. Pierwsze trzy elektrony, które należy usunąć, to trzy elektrony na orbitalach 3p i 3s. Po ich usunięciu, czwarty elektron jest usuwany z poziomu 2p – znacznie bliżej jądra, i tylko ekranowany przez elektrony 1s2 (i do pewnego stopnia 2s2).

Używanie energii jonizacji do sprawdzenia, w której grupie znajduje się dany pierwiastek

Ten duży skok pomiędzy dwoma kolejnymi energiami jonizacji jest typowy dla nagłego przebicia się do poziomu wewnętrznego. Można to wykorzystać do ustalenia, w której grupie Układu Okresowego znajduje się dany pierwiastek na podstawie jego kolejnych energii jonizacji.

Magnez (1s22s22p63s2) znajduje się w grupie 2 Układu Okresowego i ma kolejne energie jonizacji:

Tutaj duży skok następuje po drugiej energii jonizacji. Oznacza to, że istnieją 2 elektrony, które stosunkowo łatwo usunąć (elektrony 3s2), natomiast trzeci jest znacznie trudniejszy (bo pochodzi z poziomu wewnętrznego – bliżej jądra i z mniejszym ekranowaniem).

Krzem (1s22s22p63s23px13py1) znajduje się w grupie 4 układu okresowego i ma kolejne energie jonizacji:

Tutaj duży skok następuje po usunięciu czwartego elektronu. Pierwsze 4 elektrony pochodzą z orbitali 3-poziomowych; piąty z 2-poziomowych.

Wniosek z tego wszystkiego:

Licz łatwe elektrony – te do (ale nie włączając) dużego skoku. To jest to samo, co numer grupy.

Inny przykład:

Zdecyduj, w której grupie jest atom, jeśli ma kolejne energie jonizacji:

Energie jonizacji idą w górę o jeden lub dwa tysiące na raz przez pierwsze pięć. Potem następuje ogromny skok o około 15000. Zostaje 5 stosunkowo łatwych elektronów – więc pierwiastek jest w grupie 5.

Badanie wzorów bardziej szczegółowo

Jeśli wykreślisz wykresy kolejnych energii jonizacji dla danego pierwiastka, możesz zobaczyć jego fluktuacje spowodowane usuwaniem różnych elektronów.

Nie tylko możesz zobaczyć duże skoki w energii jonizacji kiedy elektron pochodzi z wewnętrznego poziomu, ale możesz również zobaczyć drobne fluktuacje w obrębie poziomu w zależności od tego czy elektron pochodzi z orbitalu s lub p, a nawet czy jest sparowany czy niesparowany w tym orbitalu.

Chlor ma strukturę elektronową 1s22s22p63s23px23py23pz1.

Ten wykres przedstawia osiem pierwszych energii jonizacji chloru. Zielone etykiety pokazują, który elektron jest usuwany dla każdej z energii jonizacji.

Jeśli umieścisz linijkę na pierwszym i drugim punkcie, aby ustalić tendencję, przekonasz się, że trzeci, czwarty i piąty punkt leżą powyżej wartości, której byś oczekiwał. Dzieje się tak dlatego, że pierwsze dwa elektrony pochodzą z par na poziomach 3p i dlatego są łatwiejsze do usunięcia niż gdyby były niesparowane.

Ponownie, jeśli przyłożysz linijkę do trzeciego, czwartego i piątego punktu, aby ustalić ich trend, przekonasz się, że szósty i siódmy punkt leżą znacznie powyżej wartości, których można by się spodziewać po kontynuacji trendu. Dzieje się tak dlatego, że szósty i siódmy elektron pochodzą z poziomu 3s – nieco bliżej jądra i nieco słabiej ekranowane.

Ogromny skok, gdy przebijasz się do wewnętrznego poziomu przy ósmym elektronie jest dość oczywisty!

.