Jak rośnie energia jonizacji w układzie okresowym?

Energia jonizacji rośnie w okresie od lewej do prawej, a maleje w grupie z góry na dół. W okresie jądro coraz silniej przyciąga elektrony, natomiast w grupie elektrony walencyjne znajdują się dalej od jądra i są osłaniane przez wewnętrzne powłoki.

Czym jest energia jonizacji?

Energia jonizacji to minimalna energia potrzebna do oderwania elektronu od obojętnego atomu znajdującego się w fazie gazowej. W wyniku tego procesu powstaje kation:

M(g) → M⁺(g) + e⁻(g)

Oderwanie elektronu wymaga dostarczenia energii, ponieważ ujemnie naładowany elektron jest przyciągany przez dodatnio naładowane jądro. Dlatego energia jonizacji ma wartość dodatnią. Można ją podawać w elektronowoltach na atom lub w kilodżulach na mol atomów.

Pierwsza energia jonizacji dotyczy usunięcia elektronu z obojętnego atomu. Druga i kolejne odnoszą się do jonów powstałych po wcześniejszym oderwaniu elektronów. Zwykle każda kolejna energia jonizacji jest większa, ponieważ pozostałe elektrony są silniej przyciągane przez to samo jądro.

Dlaczego energia jonizacji rośnie w okresie?

Przesuwając się w okresie od lewej do prawej, zwiększa się liczba protonów w jądrze, a elektrony są dodawane do tej samej głównej powłoki. Liczba powłok pozostaje więc stała, lecz rośnie dodatni ładunek jądra.

Silniejsze przyciąganie elektrostatyczne powoduje zmniejszanie się promienia atomowego. Chmura elektronowa zostaje niejako „ściśnięta” bliżej jądra, a elektron walencyjny jest trudniejszy do oderwania. W efekcie energia jonizacji rośnie.

Na ten trend wpływają przede wszystkim następujące czynniki:

• Większy ładunek jądra – większa liczba protonów wzmacnia przyciąganie elektronów.
• Mniejszy promień atomowy – elektron walencyjny znajduje się bliżej jądra.
• Względnie stałe ekranowanie – w obrębie jednego okresu nie przybywa nowych wewnętrznych powłok, które mogłyby silnie osłabiać przyciąganie jądra.
• Silniejsze związanie elektronu walencyjnego – do jego usunięcia trzeba dostarczyć więcej energii.

Przykładowo elektron walencyjny chloru jest przyciągany silniej niż elektron walencyjny sodu. Oba pierwiastki leżą w trzecim okresie, ale chlor ma większy ładunek jądra i mniejszy promień atomowy. Dlatego jego pierwsza energia jonizacji jest wyższa.

Dlaczego energia jonizacji maleje w grupie?

W dół grupy atomy mają coraz więcej powłok elektronowych. Elektron walencyjny znajduje się więc dalej od jądra, a jego przyciąganie elektrostatyczne słabnie wraz ze wzrostem odległości.

Znaczenie ma także efekt ekranowania. Elektrony znajdujące się na wewnętrznych powłokach częściowo osłaniają elektron walencyjny przed dodatnim ładunkiem jądra. Zewnętrzny elektron nie odczuwa zatem pełnej siły przyciągania wszystkich protonów.

W tym przypadku większa liczba protonów nie kompensuje wzrostu odległości i ekranowania. Elektron walencyjny jest związany słabiej, dlatego łatwiej go oderwać. Energia jonizacji maleje. Z tego powodu atom cezu ma niższą energię jonizacji niż atom sodu, choć oba pierwiastki należą do tej samej grupy.

W opisie tego zjawiska używa się pojęcia ładunku efektywnego. Oznacza on w przybliżeniu siłę, z jaką jądro przyciąga konkretny elektron po uwzględnieniu ekranowania przez pozostałe elektrony. W okresie ładunek efektywny zwykle rośnie, a w grupie wpływ dodatkowych powłok i odległości osłabia przyciąganie elektronu walencyjnego.

Jak zmienia się energia jonizacji w układzie okresowym?

Najniższe pierwsze energie jonizacji mają na ogół litowce, ponieważ posiadają jeden elektron walencyjny, który stosunkowo łatwo usunąć. Wysokie wartości wykazują gazy szlachetne, których zewnętrzne powłoki są zapełnione i stabilne.

Czy istnieją wyjątki od głównego trendu?

Wzrost energii jonizacji w okresie nie jest całkowicie regularny. Niewielkie odstępstwa wynikają z budowy podpowłok i wzajemnego oddziaływania elektronów.

• Berylowce, czyli grupa 2 – ich elektron walencyjny znajduje się na podpowłoce s. Po przejściu do grupy 13 usuwany jest elektron z podpowłoki p, który ma nieco wyższą energię i może być łatwiejszy do oderwania.
• Azotowce, czyli grupa 15 – podpowłoka p jest wtedy zajęta pojedynczo przez trzy elektrony. Przejście do grupy 16 powoduje pojawienie się pary elektronów w jednym orbitalu p, a ich wzajemne odpychanie może ułatwić oderwanie jednego z nich.
• Kolejne energie jonizacji – po usunięciu wszystkich elektronów walencyjnych może nastąpić bardzo duży skok energii, gdy następny elektron pochodzi już z powłoki wewnętrznej.

Najważniejsza zasada jest więc prosta: im bliżej jądra znajduje się elektron i im większy jest ładunek efektywny, tym większa energia jonizacji. Im dalej leży elektron i im silniej osłaniają go pozostałe powłoki, tym łatwiej go usunąć.