Условие задачи
Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s- и p-элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?
Решение
Ниже приведено подробное решение задачи по химии, основанное на понятиях атомной структуры и периодического закона.
1. Определение энергии ионизации
Энергия ионизации – это минимальное количество энергии, которое необходимо приложить к атому или иону в газовой фазе, чтобы удалить из него наименее связанный электрон. Другими словами, это энергия, требуемая для превращения атома в положительный ион. Эту энергию часто называют также энергией удаления электрона.
2. Единицы измерения энергии ионизации
Эту энергию принято выражать в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электронвольтах (эВ) на один атом или электрон. Например, энергия ионизации атома натрия составляет примерно 496 кДж/моль или около 5,14 эВ.
3. Тенденция изменения восстановительной активности в группах периодической системы
Восстановительная (редукционная) активность элемента определяется его способностью отдавать электроны. Чем легче атом теряет электроны (то есть чем ниже энергия ионизации), тем выше его восстановительная активность – он быстрее отдаёт электроны при химических реакциях и, следовательно, является более сильным восстановителем.
У элементов одного и того же семейства (то есть в одной группе периодической системы) с увеличением порядкового номера (то есть с продвижением вниз по группе) наблюдаются следующие основные моменты:
• Радиус атома увеличивается, так как добавляются новые энергетические уровни.
• Усиливается экранирование внешнего электрона внутренними, более заполненными оболочками, вследствие чего эффективный притяжение ядра к внешнему электрону становится меньше.
• Уменьшается энергия связи внешнего электрона с атомным ядром, то есть энергия ионизации уменьшается.
Таким образом, для элементов как s-блока (например, щелочных металлов, группы 1), так и для некоторых p-элементов (которые, если они демонстрируют металлоподобное поведение, например, элементы левой части p-блока) с увеличением порядкового номера происходит снижение энергии ионизации, а это означает, что они легче теряют электроны.
4. Почему происходит такое изменение?
Основная причина – увеличение расстояния между ядром и валентными электронами и рост эффекта экранирования. При увеличении атомного номера добавляются новые электроны, которые располагаются на более высоких энергетических уровнях. Эти электроны оказывают экранирующее действие, то есть уменьшают силу притяжения между ядром и внешними электронами. Из-за этого внешним электронам требуется меньше энергии для удаления из атома, что и приводит к снижению энергии ионизации и, соответственно, к росту восстановительной активности.
Особенности для s- и p-элементов:
– У s-элементов (например, щелочных металлов) тенденция к снижению энергии ионизации вниз по группе весьма выражена, что делает их сильными восстановителями (например, литий – менее активен, а цезий – гораздо более активен).
– У p-элементов ситуация может быть несколько сложнее из-за конкуренции между разными эффектами (в том числе связанной с типом завязанной орбитали и возможной поляризацией), однако если рассматривать элементы, где преобладает тенденция к металлическому поведению, то с увеличением порядкового номера также наблюдается снижение энергии ионизации и, как следствие, усиление восстановительной активности.
Таким образом, по мере увеличения порядкового номера в одной группе периодической системы энергия ионизации элементов уменьшается, что делает внешние электроны менее устойчивыми и более лёгкими для отщепления. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию восстановительной активности элементов, как для s-, так и для p-блоков с металлоподобным поведением.
Ответ в краткой форме:
• Энергия ионизации – минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из атома в газовой фазе, измеряется в кДж/моль или эВ.
• В группах периодической системы с увеличением порядкового номера атомный радиус увеличивается, интенсивность экранирования возрастает, и энергия ионизации снижается. Это облегчает потерю электрона, вследствие чего восстановительная активность элементов (их способность действовать как восстановители) увеличивается.
Это и есть подробное решение задачи с использованием принципов химии и структурной теории атомов.