انرژی یونیزاسیون

در فیزیک و شیمی، به حداقل مقدار انرژی لازم برای جدا کردن سست ترین الکترون (الکترون ظرفیتی) از یک مولکول یا اتم گازی طبیعی ایزوله شده، انرژی یونیزاسیون گفته می شود.

علوم شیمی و فیزیک از مقادیر مختلفی از انرژی یونیزاسیون استفاده می کنند. در فیزیک، واحد، مقدار انرژی لازم برای جداسازی یک الکترون از یک اتم یا مولکول منفرد است که “الکترون ولت” نامیده می شود.

در شیمی، واحد، مقدار انرژی ای است که هرکدام از اتم های یک مول ماده برای از دست دادن یک الکترون نیاز دارند: انرژی یونیزاسیون مولی یا انتالپی که به صورت کیلوژول بر مول یا کیلوکالری بر مول بیان می شود.

اصطلاح پتانسیل یونیزاسیون نام قدیمی تر انرژی یونیزاسیون است. زیرا قدیمی ترین روش اندازه گیری انرژی یونیزاسیون بر اساس یونیزه کردن یک نمونه و شتاب دادن به الکترون برداشته شده با استفاده از پتانسیل الکترواستاتیکی بود. هرچند این اصطلاح هم اکنون منسوخ شده است.

انرژی یونیزاسیون ۱

برخی عوامل مؤثر بر انرژی یونیزاسیون

۱- بار هسته ای: هرچقدر مقدار بار هسته بیشتر باشد، الکترون ها محکمتر توسط هسته نگه داشته می شوند و انرژی یونیزاسیون بیشتر خواهد بود.

۲- تعداد لایه های الکترونی: هرچقدر اندازه اتم بزرگ تر باشد، الکترون ها سست تر توسط هسته نگه داشته می شو ند و انرژی یونیزاسیون کمتر خواهد بود.

۳- بار مؤثر هسته :هرچقدر مقدار استحفاظ و نفوذ الکترون بیشتر باشد، الکترون ها سست تر توسط هسته نگه داشته می شوند، بار مؤثر الکترون کمتر و انرژی یونیزاسیون نیز کم تر خواهد بود.

۴- نوع یونیزه شدن مداری: اتمی که شکل پایدارتری دارد، تمایل کمتری به از دست دادن الکترون دارد و درنتیجه انرژی یونیزاسیون بالاتری دارد.

ارزش ‌ها و روندها

به‌طورکلی، انرژی یونیزاسیون n+1 ام از انرژی یونیزاسیون n ام بزرگ‌ تر است. هنگامی که انرژی یونیزاسیون بعدی شامل جداسازی یک الکترون از همان لایه الکترونی است، افزایش انرژی یونیزاسیون در درجه اول به دلیل افزایش بار خالص یون است که الکترون از آن خارج می‌ شود.

الکترون‌ های جدا شده از یون‌ های پربارتر یک عنصر خاص، نیروی بیشتری از جاذبه الکترواستاتیکی را تجربه می ‌کنند؛ بنابراین جداسازی آن ‌ها انرژی بیشتری نیاز دارد؛ بنابراین زمانی که انرژی یونیزاسیون بعدی شامل جداسازی الکترون از یک‌ لایه الکترونی پایین ‌تر است، فاصله‌ ی بسیار کاهش‌ یافته‌ ی بین هسته و الکترون، نیروی الکترواستاتیکی را افزایش داده و همچنین مسافتی که باید برای جداسازی الکترون بر آن غلبه کند را افزایش می ‌دهد. هردوی این عوامل انرژی یونیزاسیون را افزایش می ‌دهند.

انرژی یونیزاسیون ۲

توضیحات الکترواستاتیک

انرژی یونیزاسیون اتمی را می ‌توان توسط تجزیه ‌و تحلیل با استفاده از پتانسیل الکترواستاتیکی و مدل اتمی بور به شرح زیر پیش ‌بینی کرد :

یک الکترون با بار e- و یک هسته اتمی با بار Ze+ را در نظر بگیرید. بصورتی که Z تعداد پروتون ‌های موجود در هسته باشد. طبق مدل اتمی بور، اگر الکترون به اتم نزدیک شده و به آن بپیوندد، در شعاع معینی استراحت می ‌یابد.

پتانسیل الکترواستاتیک V در فاصله a از هسته یونی که به نقطه‌ ای بی نهایت دور ارجاع شده است، برابر است با:

از آنجایی‌که الکترون بار منفی دارد، توسط این پتانسیل الکترواستاتیکی به داخل کشیده می ‌شود. انرژی موردنیاز الکترون برای “بالا آمدن” و ترک اتم برابر است با:

این تجزیه ‌و تحلیل ناقص است؛ زیرا فاصله را یک متغیر ناشناخته قرار می ‌دهد. می‌ توان با اختصاص دادن یک ‌فاصله مشخص به هر الکترون از هر عنصر شیمیایی آن را دقیق ‌تر کرد، به صورتی که طوری انتخاب شوند که این رابطه با داده ‌های تجربی موافق باشد.

توضیحات مکانیکی-کوانتومی

برای محاسبه انرژی یونیزاسیون n ام باید انرژی Z – n +1 و Z – n سیستم ‌های الکترونی را محاسبه کرد. محاسبه دقیق این انرژی‌ ها ممکن نیست. مگر در ساده ‌ترین سیستم ‌ها (هیدروژن)، در درجه اول به علت مشکلات در ادغام شرایط هم‌بستگی الکترونی.

شباهت انرژی یونیزاسیون به سیستم ‌های دیگر

درحالی‌که لفظ انرژی یونیزاسیون تا حد زیادی فقط برای گونه‌ های اتمی یا مولکولی فاز گازی استفاده می‌ شود، مقادیر مشابهی وجود دارد که مقدار انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از سیستم ‌های فیزیکی دیگر را در نظر می ‌گیرد.

انرژی اتصال الکترونی

انرژی اتصال الکترونی یک اصطلاح عمومی برای انرژی یونیزاسیون است که می ‌تواند برای گونه ‌های مختلف در هر حالت بار استفاده شود. برای مثال، انرژی اتصال الکترون برای یون کلرید حداقل انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از اتم کلر هنگامی‌که بار ۱- دارد، می ‌باشد. در این مثال خاص، مقدار انرژی اتصال الکترونی دارای مقداری مشابه با میل ترکیبی الکترون برای اتم کلر خنثی است. در مثال دیگر، انرژی اتصال الکترونی به حداقل مقدار انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از دی کربوکسیلات دیانیون ⁻O_۲C(CH_۲)_۸CO_۲⁻ اشاره دارد.

بالاترین انرژی اتصال ۸٫۸ مگاولت است که برای نیکل اتفاق می‌افتد. نیکل دارای ۲۸ پروتون است.

تابع کار

تابع کار حداقل مقدار انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از سطح جامد می ‌باشد.