Hogyan változik az ionizációs energia a csoportokban?

Az ionizációs energia az az energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektront egy semleges atomból eltávolítsunk. 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 vonzásköréből. Ezt az energiát nevezzük ionizációs energiának. Ha eltávolítunk egy elektront, akkor a protonok és az elektronok száma már nem lesz egyenlő. Eggyel több proton marad, mint elektron. Egyszeres pozitív töltéstöbblet alakul ki, azaz ion keletkezik. 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 használjuk. Lássuk az ionizációs energia néhány tényleges értékét az 1. csoport elemeinek esetében. Itt látható az 1. csoport néhány eleme. A hidrogén esetében 1312 kJ/mol energia szükséges egy elektron eltávolításához. A lítium esetében 520 kJ/mol energiát igényel az elektron eltávolítása. 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, hogy 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 esetére. 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. Iderajzoljuk ezt az elektront is. Az elektronszerkezet jelölése 1s1. Az egyetlen elektron tehát egy s pályán van, az első energiaszinten. Erre a negatív töltésű elektronra hat a pozitív töltésű mag vonzóereje, így az eltávolításához energiát kell befektetni. Ha tehát mólonként 1312 KJ energiát közlünk vele, el tudjuk távolítani ezt az elektront. Ekkor csak az egyszeresen pozitív töltésű atommag marad vissza, amely körül nincs elektron. Ez már nem semleges atom, hanem ion. A jele H+, mivel az atommagban van egy pozitív töltés, de nincsenek elektronok. Tehát H+. Tehát ez itt az ionizációs energia fogalma. 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. A második energiaszinten van még egy elektron. Ezt is iderajzolom. Ha a lítiumatomból szeretnénk eltávolítani egy elektront, a külső távozna a legkönnyebben, a 2s alhéj elektronja. 520 kJ/mol energia befektetésével el lehet távolítani ezt az elektront. Így marad három pozitív töltés az atommagban, és megmaradnak az 1s alhéj elektronjai is. Ezeket iderajzolom. A külső elektront eltávolítottuk. Így lítium-kation keletkezett. Jelölése Li+, mivel három pozitív töltés van a magjában. és csak két elektronja. Háromból kettő az egy. A lítiumion elektronszerkezete 1s2, hiszen eltávolítottuk a külső elektront a 2s alhéjról. Így mutathatjuk be a hidrogén és a lítium ionizációját. 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, vagyis annál 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 csupán a mag 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 ebben a két esetben azt sugallná, hogy a lítium külső elektronjára nagyobb magvonzás hat. Így azt hihetnénk, hogy több energiát igényel ennek az elektronnak az eltávolítása. Pusztán a magtöltést figyelembe véve azt feltételezhetnénk, hogy az ionizációs energia vele együtt nő. Ezután ejtsünk szót az elektronok árnyékoló hatásáról. Az árnyékoló hatást árnyékolásnak is nevezzük. 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 az elektronok árnyékoló hatása. Ha csak ezt a tényezőt vennénk figyelembe, a lítium esetében a belső héj két elektronja leárnyékolja a külső héjon lévő elektront. Ellentétes irányú erőt fejtenek ki rá. Ez azt jelenti, hogy könnyebbé válik a külső elektron eltávolítása a többi elektron taszítóereje miatt. Ha csak az elektronok árnyékoló hatása érvényesülne, könnyebb lenne eltávolítani a lítium külső elektronját az árnyékoló hatás miatt. Ezért kevesebb energiára lenne szükség, tehát az ionizációs energia csökkenne, ha csak ez a tényező érvényesülne. 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. Így fejezhetjük ki, nagyon leegyszerűsített módon. Nézzük először a hidrogént, és számítsuk ki az elektronra ható effektív magtöltést. A magban 1 pozitív töltés van, 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 ugyanakkora, mint a lítiumatom külső 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 egy 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 1,3 körülinek adódna. Tehát úgy vehetjük, hogy a lítiumatomban az elektronok árnyékoló hatása lerontja a megnövekedett magtöltést. Végül lássuk az utolsó tényezőt, hogy megértsük ezt a tendenciát. Az utolsó tényező a távolság a külső elektron és az atommag között. Tekintsük át ezt is. A hidrogén esetében ez az elektron egészen közel van az atommaghoz. A közelséggel együtt a mag vonzása is erősebbé válik. Fizikából tudjuk, hogy Coulomb törvénye alapján a vonzás erőssége függ a távolságtól. Minél kisebb a távolság, annál nagyobb a vonzóerő. Erre az elektronra tehát nagyon erős vonzóerő hat, így nehéz eltávolítani. A lítium esetében a külső héj elektronja átlagosan távolabb van az atommagtól, ezért nem hat rá olyan erősen az atommag vonzása. Mivel a vonzóerő nem túl nagy, ezt a külső elektront könnyebb eltávolítani. Ebből természetesen az is következik, hogy az ionizációs energia kisebb lesz. A távolság hatása tehát az, hogy könnyebb eltávolítani a külső elektront a lítiumatomból, mivel távolabb van az atommagtól. Ha együttesen tekintjük ezt a három tényezőt, a magtöltés és az elektronok árnyékoló hatása mintegy lerontják egymást. Ezért úgy tekinthetjük, hogy a távolság az a tényező, aminek az alapján a csoportokban magyarázható az ionizációs energia változása.