Условие задачи
Что такое энергия ионизации, что она выражает и как изменяется?
Решение
Дисциплина, к которой относится задача, – физика (а точнее, атомная физика и химическая физика). Ниже приводится подробное решение с использованием правил этой дисциплины.
1. Определение энергии ионизации
Энергия ионизации – это минимальное количество энергии, которое необходимо приложить к изолированному атомному или молекулярному газу в состоянии покоя, чтобы удалить из него один электрон, превращая нейтральную частицу в положительный ион. Иными словами, она характеризует силу связи между удаляемым электроном и остатком атома или молекулы.
2. Что выражает энергия ионизации
Эта энергия выражает степень «удержания» электрона атомным ядром. Чем выше энергия ионизации, тем сильнее атом удерживает свой электрон, и тем труднее его отщепить. Таким образом, энергия ионизации является индикатором химической инертности атома (или его склонности образовывать ионы). Например, благородные газы отличаются высокими значениями первой энергии ионизации, что объясняет их низкую реакционную способность.
3. Как изменяется энергия ионизации
Тенденции изменения энергии ионизации можно описать следующими общими закономерностями:
а) По периодам
При движении слева направо по одному периоду энергия ионизации обычно возрастает. Это связано с увеличением заряда ядра (увеличивается атомный номер) при относительном сохранении радиуса атома, что повышает действенное ядерное заряжение. В результате электроны притягиваются сильнее, а энергия ионизации выше.
б) По группам
При движении сверху вниз по группе энергия ионизации, как правило, уменьшается. Это происходит потому, что добавление новых уровней энергии увеличивает расстояние между удаляемым электроном и ядром, а также возрастает влияние экранирующих эффектов внутренних электронов. Таким образом, удержание внешнего электрона слабее, и требуется меньше энергии для его удаления.
в) Последовательные ионизации
При последовательном удалении электронов из многоэлектронного атома энергия ионизации для каждого следующего удаления, как правило, возрастает, поскольку после удаления первого электрона оставшийся ион имеет более высокий эффективный заряд ядра, что сильнее удерживает оставшиеся электроны.
4. Формулы и единицы измерения
Энергия ионизации выражается в джоулях (Дж) или электронвольтах (эВ). При этом одна электронвольта равна примерно 1,602×10⁻¹⁹ Дж. Можно записать энергетический баланс процесса, где энергия ионизации (IE) определяется через изменение энергии системы:
IE = E(ион) − E(нейтрального атома)
Здесь E – энергия атома или иона в определённом состоянии. При этом значение IE обычно положительно, так как для удаления электрона необходима энергия.
Таким образом, энергия ионизации является важным параметром, отражающим силу связи электрона с атомным ядром, и изменяется в зависимости от положения атома в периодической системе элементов (увеличиваясь по периоду и уменьшаясь по группе) и от его электронной структуры.