Az ionizációs energia azt az energiát jelenti,
amely egy elektron eltávolításához szükséges egy semleges atomból.
Ez az A betű egy semleges atomot jelképez,
amelyben a protonok és elektronok száma egyenlő.
Mivel a pozitív töltésű atommag
vonzza a negatív töltésű elektronokat,
energia szükséges ahhoz, hogy egy elektront eltávolítsunk
a mag vonzóerejétől.
Ez az ionizációs energia alapja.
Ha eltávolítunk egy elektront,
akkor a protonok és az elektronok száma már nem lesz egyenlő.
Eggyel több proton marad, mint elektron.
Egyszeresen pozitív töltéstöbblet alakul ki,
azaz ion keletkezik.
Így az ionizációs energia mindig pozitív,
vagyis az elektron eltávolítása energiát igényel.
Az ionizációs energia értéke tehát pozitív,
a mértékegysége pedig a kJ/mol.
Ebben a videóban
csak az első ionizációs energiáról beszélünk.
Erre az IE 1 jelölést használom.
Lássunk néhány tényleges értéket az ionizációs energiára
az 1. csoport elemeinek esetében.
Itt látható az 1. csoport néhány eleme.
A hidrogén esetében mólonként 1312 kJ energia
szükséges egy elektron eltávolításához.
A lítium esetében 520 kJ energia árán
távolíthatnánk el egy mól atomból 1-1 elektront.
Láthatjuk, hogy lefelé haladva ez az érték csökken.
A nátrium esetében 496.
A káliumnál 419.
A változás iránya egyértelmű.
A periódusos rendszer egy oszlopában lefelé haladva
az ionizációs energia határozottan csökken,
azaz egyre könnyebben távolíthatunk el egy elektront.
Lássuk, kitaláljuk-e ennek az okát.
Ehhez részletesen megvizsgálunk két elemet,
a hidrogént és a lítiumot..
Nézzük ezeket az ábrákat.
Ki fogjuk egészíteni őket a hidrogén és a lítium mintájára.
Először lássuk a hidrogént.
A hidrogén rendszáma 1.
Az atommagjában 1 proton van.
A mag egyszeresen pozitív töltésű.
A semleges atomban egy elektron is van.
Iderajzolhatjuk ezt az elektront is.
c
Az elektronszerkezet jelölése 1s1.
Az egyetlen elektron tehát egy s pályán van,
az első energiaszinten.
Erre a negatív töltésű elektronra tehát
hat a pozitív töltésű mag vonzóereje.
Ezért az eltávolításához energiát kell befektetni.
Ha tehát mólonként 1312 energiát közlünk vele,
el tudjuk távolítani ezt az elektront.
Így csak az egyszeresen pozitív töltésű atommag marad, meg
amely körül nincsenek elektronok.
c
Ez már nem egy semleges atom,
hanem egy ion.
A jele H+, mivel ez egy pozitív töltésű atommag, elektronok nélkül.
H+
Itt így értelmezzük az ionizációs energiát.
Lássuk a lítiumot.
Ezt alulra rajzolom.
A lítium rendszáma 3,
tehát a magjában 3 proton van.
A semleges atomban 3 elektron van.
Az elektronszerkezete 1s2 2s1.
Két elektron van az első energiaszinten,
egy s pályán.
Ezeket ide rajzolom.
Ez a két elektron, amit most rajzoltam,
jelképezi az első energiaszint két elektronját.
c
A második energiaszinten van még egy elektron.
Ezt is iderajzolom.
Ha a lítiumatomból szeretnénk eltávolítani egy elektront,
a legkönnyebben az távozna,
amelyik a legtávolabb esik,
a 2s alhéj elektronja.
520 kJ/mol energia befektetésével
el lehet távolítani ezt az elektront.
Így megmarad a háromszorosan pozitív töltésű atommag,
c
és megmaradnak az 1s alhéj elektronjai is.
Ezeket iderajzolom.
A külső elektront eltávolítottuk.
Ami keletkezett, az egy lítium kation.
Jelölése Li+, mivel
három pozitív töltés van a magjában.
és csak két elektronja.
Háromból kettő az egy.
A lítiumion elektronszerkezete
így 1s2, hiszen eltávolítottuk
a külső elektront a 2s alhéjról.
Tehát így ábrázolható
a hidrogén és a lítium ionizációja.
Ezután megvizsgálunk néhány tényezőt,
amelyek befolyásolják az ionizációs energiát.
Először a magtöltésről beszélünk.
Hadd írjam ezt ide.
A magtöltés lényege, hogy minél több pozitív töltés van a magban,
annál nagyobb vonzóerő
hat az elektronra.
Ezért annaál nehezebb
ezt az elektront eltávolítani.
Általánosságban úgy vehetjük, hogy a nagyobb magtöltés
nagyobb ionizációs energiát eredményez,
hiszen nagyobb vonzóerőt jelent
az elektronok számára.
Tekintsük hát az előbbi két példát,
és kezdjük a hidrogénnel.
A hidrogén atommagjában 1 pozitív töltés van.
Ezt a külső elektront a mag felé vonzza
a pozitív töltés.
A lítium atommagjában 3 pozitív töltés van,
azaz nagyobb a mag töltése.
Ha egyedül a meg töltését vennénk figyelembe,
azt gondolhatnánk, hogy ezt az elektront
még nagyobb erő vonzza befelé, mint a hidrogénben,
hiszen a 3 több, mint az 1.
A magtöltés önmagában
e két esetben azt sugallná,
hogy a lítium külső elektronjára nagyobb magvonzás hat.
c
Így azt hihetnénk, hogy ennek az elektronnak az eltávolítása
több energiát igényel.
Pusztán a magtöltés alapján
azt feltételezhetnénk, hogy az ionizációs energia nő.
Ejtsünk most szót az elektronok árnyékoló hatásáról.
Az árnyékolást
ccc
Az árnyékoló hatás lényege az,
hogy a belső héjakon lévő elektronok
leárnyékolják a külső elektronokat
az atommag pozitív töltése elől.
Lássuk mindezt a lítium példáján.
Ezek az elektronok itt a belső héjon
taszítják a külső héj elektronjait.
Ez a kék elektron tehát
taszítja a zöld elektront,
s ez a másik kék elektron úgyszintén.
Így ezek leárnyékolják a zöld külső elektront
a 3 pozitív töltés elöl,
hiszen az elektronok taszítják a többi elektront.
Az azonos töltések taszítják egymást.
Ezt jelenti hát az elektronok árnyékoló hatása.
c
Ha ezt a tényezőt is figyelembe vesszük,
a lítium esetében számolnunk kell azzal,
hogy a belső héj két elektronja leárnyékolja a külső héjon lévő elektront.
Egy ellentétes irányú erővel is
számolnunk kell.
Ez azt jelenti,
hogy könnyebb eltávolítani a külső elektront
a többi elektron taszító hatása miatt.
Ha csupán az elektronok
árnyékoló hatását vennénk figyelembe,
könnyebb lenne eltávolítani
a lítium külső elektronját
az árnyékoló hatás miatt.
Kevesebb energiára lenne szükség
ha csak ezt a tényezőt vennénk számításba.
Azonban magtöltés és az árnyékolás mindig együtt hatnak.
Ennek kifejezésére
az effektív magtöltés fogalmát alkalmazzuk.
Tehát a folytatáshoz felírom
az effektív magtöltés jelét (Z eff),
amit úgy kapunk, meg, hogy a magtöltésből (Z)
kivonjuk az árnyékoló elektronok hatását xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Így fejezhetjük ki,
egy nagyon leegyszerűsített módon.
Nézzük először a hidrogént,
és számítsuk ki az elektronra ható effektív magtöltést.
A magban van 1 pozitív töltés,
ez a magtöltés (Z).
Árnyékoló elektron nincsen.
1 mínusz 0, az természetesen 1.
Erre a külső elektronra tehát
+1 effektív magtöltés hat.
A lítium atommagjában 3 proton van.
Itt a Z értéke +3.
Van 2 árnyékoló elektron,
ez a 2 elektron a belső héjon.
Ez +3 mínusz 2.
Az effektív magtöltés tehát +1.
Az így kifejezett effektív magtöltés,
amely a hidrogénatom elektronjára hat,
körülbelül ugyanakkor, mint a lítiumatom elektronjára ható töltés,
hiszen mindkettő esetében
ugyanúgy +1 az effektív magtöltés.
A lítiumatomban fellépő árnyékoló hatás
mintegy lerontja
a magtöltés hatását.
Ez a két hatás tehát kioltja egymást.
Ez természetesen csak nagyon leegyszerűsített módszer
az effektív magtöltés kiszámítására.
A valóságban a lítium esetében, a bonyolultabb módszerrel számolva
1,3 körüli értéket kapunk.
A lítium effektív magtöltését tehát
+1 körüli értéknek mondhatjuk,
noha a pontosabb értéke körülbelül 1,3.