Az ionizációs energia változásai

Beszéljünk most egy olyan fogalomról, amelyet korábbról már ismerhetünk: az ionokról. Először arról, hogy mik azok az ionok, majd a velük kapcsolatos trendekről a periódusos rendszerben, és arról, hogy mennyire nehezen képződnek az ionok, különösen a pozitív ionok. Az ionok atomokból vagy molekulákból keletkező részecskék, amelyeknek töltésük van. Azért van töltésük, mert a bennük lévő protonok és az elektronok száma eltér. Természetesen neutronokat is tartalmaznak, de a neutronok semlegesek. A töltés a protonoktól és az elektronoktól származik. Tehát valamilyen töltés lesz, ha a protonok száma különbözővé válik egy atomban vagy egy molekulában – – a molekula ugyebár egy csoport atomból áll, amelyeket kémiai kötések kötnek össze –, ha a protonok száma nem ugyanannyi, mint az elektronok száma. Pozitív ionokban a protonok száma nagyobb, mint az elektronok száma. A protonok töltése pozitív, az elektronoké negatív. A negatív ionokban az elektronok száma nagyobb, mint a protonok száma. Például a semleges hidrogénatomban egyetlen proton és egyetlen elektron van. Ha azonban eltávolítjuk ezt az elektront, egy pozitív töltésű részecske keletkezik. Ez (a legközönségesebb izotópot feltételezve) lényegében nem más, mint maga a proton. Az ilyen pozitív ionokat, amelyekben több a proton, mint az elektron, ahol a protonok száma nagyobb, mint az elektronok száma, kationoknak nevezzük. Kationnak tehát a pozitív ionokat nevezzük. Hasonlóképpen vannak negatív ionok is. Lássuk például a fluort. A fluoratom felvesz egy elektront, ezzel a töltése negatívvá válik. Egyszeres negatív töltésre tesz szert, a negatív iont pedig anionnak nevezzük. Én úgy jegyeztem meg ezt a kifejezést, mintha valaminek az ellenkezője vagy a tagadása lenne. Ez a negatív ion. Mintha tagadnánk az „ion” szót. Miután ezzel megvolnánk, lássuk, mennyire nehéz ionizálni a periódusos rendszer különböző elemeinek atomjait. Elsősorban azt, hogy milyen nehezen alakíthatóak kationná. Ehhez bevezetjük az ionizációs energia fogalmát. Definíció szerint ez az energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektront eltávolítsuk. Akár úgy is nevezhetnénk, hogy kationizációs energia, mivel valójában az ahhoz szükséges energia, hogy hogy egy elektron eltávolításával pozitív ion jöjjön létre. Lássuk a tendenciákat. Már tudunk egyet s mást a periódusos rendszer csoportjairól. Például azt, ha az első csoportra koncentrálunk, és beszéltünk már arról, hogy a hidrogén kivételnek számít, de ha a hidrogén alatti elemekre gondolunk, vagyis az alkálifémekre, tudjuk, hogy ezek nagyon könnyen adnak le elektront. Hogy miért? Azért, mert elektronleadással olyan elektronszerkezetet alakítanak ki, mint amilyen az előttük lévő nemesgázatom szerkezete. Ha a lítiumatom elveszít egy elektront, akkor a külső héjának elektronszerkezete olyanná válik, mint a héliumatomé. 2 külső elektronja van. Általában az úgynevezett oktett szabály érvényesül, de a lítium és a hélium esetében 2 elektron is elég a nemesgázszerkezethez, mivel az első héjon csak 2 elektron fér el. Ám az összes többi elem esetében (a nátrium, a kálium, stb.) ha eltávolítunk egy elektront, akkor a külső héjuk elektronszerkezete olyanná válik, mint az előttük lévő nemesgázatomban. A nátriumtól lefelé mindegyik atom külső héján ez a tökéletes nyolcas lesz. Ha a lítiumatomból távolítunk el egy elektront, akkor a héliumatomhoz válik hasonlóvá, két elektron marad a külső héján. Sejthető, hogy az ionizációs energia, ami az elektronok eltávolításához szükséges, az alkálifémek atomjai esetében igen kicsi. Ezt ideírom. A "kicsi, vagy alacsony" szó az ionizációs energiára vonatkozik. Mi a helyzet jobb kéz felé haladva a periódusos rendszerben? Haladjunk egészen a periódusos rendszer jobb széléig. Itt vannak a nemesgázok, amelyekről már korábban is beszéltünk. Ezek nagyon, nagyon stabilak. Nem vágynak arra, hogy belepiszkáljanak az elektronszerkezetükbe. Ez kemény feladat volna. A neontól lefelé megvan a 8 elektronjuk, ez az oktett szabály. A héliumnak 2 elektronja van, ami telítetté teszi az első héjat, ezért innen nagyon nehéz elektront leszakítani, így nagyon nagy lesz az ionizációs energiájuk. A kis energia könnyen eltávolítható elektronokat jelent, főleg az első elektron leszakításakor, itt viszont nagy az ionizációs energia. A "H" betű ideírva nem látszik rendesen, inkább ide írom: nagy ionizációs energia. Ez az általános szabály a periódusos rendszerben vízszintesen balról jobbra haladva, az ionizációs energia kicsiről nagyra változik. Mi a helyzet függőleges irányban? Bármelyik csoportban, például az alkálifémek csoportjában az oszlop alján, például a cézium esetében, ez az elektron a hatodik héjon sokkal távolabb van, mint a lítium második héján lévő elektron. Sokkal messzebb, így nem kötődik olyan szorosan az atommaghoz. Ez az egy elektron tehát még könnyebben leszakítható, mint a lítium külső héján lévő elektron. Így az ionizációs energiája még amazénál is kisebb. Ez a nemesgázokra is ugyanúgy érvényes. Bár a xenonatom külső héján 8 vegyértékelektron van, de ezek távolabb vannak az atommagtól. Így a leszakításukhoz szükséges energia ugyan nagy, ám mégis kisebb, mint például a neon vagy a hélium esetében. Ez tehát kicsi. Az ionizációs energia tehát kicsiről nagyra változik balról jobbra haladva, és ugyanígy növekszik lentről felfelé. Általánosságban úgy mondhatjuk, hogy a bal alsó saroktól a jobb felső sarok felé növekszik az ionizációs energia. Ezekből az atomokból könnyen eltávolíthatunk egy elektront Itt viszont nagy az ionizációs energia, és nagyon nehéz elektront leszakítani ezekből az atomokból. Ez jól látható, ha megvizsgáljuk, hogy milyen szabály szerint változnak a valós, mért ionizációs energiák. Szívesen használok ilyen grafikonokat, mert jól mutatják, milyen alapokon jött létre a periódusos rendszer, amikor az emberek felfedezték az elemek periodikusan ismétlődő tulajdonságait. Szembeötlő, hogy itt valami szabályszerűség uralkodik. Ennek a grafikonnak ezen a tengelyén az ionizációs energiát tüntették fel elektronvoltban mérve, amely tulajdonképpen egy egységnyi energiát jelent. Akár joule egységekben is kifejezhetnénk. A másik tengelyen a rendszámok szerepelnek, növekvő sorrendben. Az első a hidrogén, utána a hélium, majd haladunk tovább a lítiumhoz. Mutatom a lényeget. A hidrogénről a héliumra ugrunk. A héliumatom nagyon stabil, ezért nagyon nehéz róla leszakítani egy elektront. Ezután a lítiumra ugrunk. A lítium, mint mondtuk, alkálifém. Egy elektron leszakításával stabil állapotba kerül. Így ez az elektron nagyon kis energiával leszakítható. Ezután balról jobbra haladunk a periódusos rendszerben. Ahogy az alkálifémektől a nemesgázok felé haladunk, látjuk, hogy az ionizációs energia növekszik. Itt láthatók ezek a kis hepehupák, ennek az okán is el lehet gondolkodni, vajon mi lehet ezeknek a magyarázata. A lényeg az általános trend ahogyan az alkálifémektől haladunk a nemesgázok felé. Az alkálifémektől a nemesgázokig. Alkálifémektől a nemesgázokig. A szemlélőben felmerülhet, hogy ettől a ponttól eddig a pontig ugyanakkor a távolság, mint a következő hasonló szakaszon, de a rákövetkező szakasz hosszabb. Mi lehet ennek az oka? Nos, emlékeznünk kell arra, hogy itt jelenik meg az összes d mezőbeli elem, Tehát ettől a ponttól kezdve fel kell tüntetnünk az összes d mezőbeli elemet, amely a negyedik periódusban található. Ezek az elemek itt jelennek meg, itt vannak a d mező elemei, itt is a d mező elemei, itt pedig az f és d mező elemei. Így tehát látható az általános trend. Az alkálifémek ionizációs energiája nagyon kicsi. A nemesgázok ionizációs energiája nagyon nagy. De az atomok méretének növekedésével az ionizációs energia egyre csökken. A radon különleges eset. Bár nemesgáz, az ionizációs energiája... ugyanis a legkülső elektronjai messzebb vannak az atommagtól, olyan messze vannak tőle, hogy az ionizációs energiája kisebb, mint a hidrogénatomé. Remélem, hogy érdekesnek találtátok!