Энергия ионизации — это минимальное количество энергии, обычно выраженное в килоджоулях на моль (кДж/моль), необходимое для разделения электронов в атоме газа в его основном состоянии.
Что такое энергия ионизации? Где она находится в таблице Менделеева?
Энергия ионизации (первый потенциал ионизации) — это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из нейтрального атома. Он определяет тип и прочность связей. Энергия ионизации приведена в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева.
В химии энергия ионизации — это наименьшая напряженность поля, при которой достигается скорость отрицательных частиц, необходимая для ионизации атома. Он определяется бомбардировкой атомов электронами.
Формула энергии ионизации
Атомы с различным числом протонов и электронов называются ионами. Если электронов меньше, чем протонов, ион приобретает положительный заряд и становится катионом. В противоположной модели ион заряжен отрицательно и является анионом. Энергия ионизации отражает стоимость преобразования атома в катион.
Первый потенциал ионизации — это разность энергий электрона в атоме:
- E1— начальное состояние электрона в атоме,
- E2— конечное состояние.
Экранирование
Экранирование является результатом отражения положительного заряда ядра внешними электронами. Это связано с тем, что отрицательный заряд частично нейтрализует положительный заряд. Чем больше электронов находится во внешнем слое атома, тем ниже первый потенциал ионизации.
Первый потенциал ионизации связан с радиусом атома. С увеличением атомного радиуса первый потенциал ионизации уменьшается. Поэтому металлические свойства уменьшаются в периоде, идущем слева направо, и увеличиваются в группе, идущей сверху вниз.
Энергия ионизации в матрице Менделеева ведет себя следующим образом:
- в периоде слева направо она увеличивается;
- в группе сверху вниз она уменьшается, т. к. увеличивается расстояние электрона до ядра.
Натрий, например, является щелочным металлом (группа I «A») и имеет только один электрон в своем внешнем слое. Каждый атом стремится заполнить электронный слой. Поскольку для завершения слоя натрию требуется много электронов, проще отдать один электрон и принять новую конфигурацию. Поэтому этот химический элемент имеет низкий первый потенциал ионизации.
Хлор является галогеном (группа VII «A»), который имеет семь электронов на своем внешнем уровне, и только одного электрона не хватает для завершения уровня. Хлор не может отдавать электроны и поэтому получает их от других элементов. Поэтому хлор имеет высокий первый потенциал ионизации.
| Na | Mg | Аль | Si | P | S | Cl | Ar |
| 5,14 | 7,64 | 6 | 8,15 | 11 | 10,36 | 13,01 | 15,8 |
Энергия ионизации не всегда увеличивается равномерно. Это связано с тем, что в элементах второй и пятой групп уровни заполнены полностью или наполовину, поэтому для удаления негативных частиц требуется больше работы.
Низкая энергия ионизации указывает на высокую энергию активации и быстрые реакции. Первый потенциал ионизации является важным фактором, который необходимо учитывать при оценке природы и прочности химических связей и прогнозировании того, как химические вещества будут соединяться.
Потенциал ионизации
Потенциал ионизации атома или молекулы определяется как минимальное количество энергии, которое необходимо приложить, чтобы освободить электрон из внешнего слоя атома в основном состоянии, имеющего нейтральный заряд, т.е. энергия ионизации.
Следует отметить, что при упоминании потенциала ионизации используется термин, который больше не является общеупотребительным. Это связано с тем, что ранее определение этого свойства основывалось на использовании электростатического потенциала образца в вопросе…..
С помощью этого электростатического потенциала происходили две вещи: ионизация химических частиц и ускорение процесса захвата электронов, который необходимо было устранить.
Когда его стали определять спектроскопическими методами, термин «потенциал ионизации» был заменен термином «энергия ионизации».
Известно также, что химические свойства атомов определяются конфигурацией электронов на самом внешнем энергетическом уровне этих атомов. Поэтому энергия ионизации этих частиц напрямую связана со стабильностью их валентных электронов.
Методы определения энергии ионизации
Как уже упоминалось, методы определения энергии ионизации в основном определяются фотоэмиссионными методами, которые основаны на определении энергии, выделяемой электронами в результате фотоэлектрического эффекта.
Хотя атомную спектроскопию можно считать наиболее прямым методом определения энергии ионизации образца, существует также фотоэлектронная спектроскопия, которая измеряет энергии, при которых электроны связаны с атомами.
В этом смысле ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (также известная как UPS на английском языке) — это метод, использующий возбуждение атомов или молекул ультрафиолетовым излучением.
Это делается для анализа энергетических переходов большинства внешних электронов в изучаемых химических веществах и свойств образующихся связей.
Известно также, что рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и экстремальное ультрафиолетовое излучение работают по одному и тому же принципу, описанному выше, с различиями в типе излучения, падающего на образец, скорости, с которой выбрасываются электроны, и мощности разделения.
Энергия первой ионизации
Для атомов, имеющих более одного электрона на внешнем уровне, так называемых полиэлектронных атомов, значение энергии, необходимой для активации первого электрона атома в его основном состоянии, дается следующим уравнением:
Энергия + A (d) → A + (d) + e — — —
«A» обозначает атом любого элемента, а отделенный электрон представлен как «e — «. Это приводит к появлению первой энергии ионизации, называемой «I».1«.
Как вы видите, происходит эндотермическая реакция, в которой энергия добавляется к атому для получения электрона, который присоединяется к катиону элемента.
Аналогично, значение первой энергии ионизации элементов в том же периоде увеличивается с ростом атомного номера.
Это означает, что он уменьшается за период справа налево и сверху вниз в одной и той же группе периодической таблицы.
В этом смысле благородные газы имеют высокие значения энергии ионизации, тогда как элементы, принадлежащие к щелочным и щелочноземельным газам, имеют низкие значения этой энергии…
Что такое вторая энергия ионизации
Вторая энергия ионизации может быть определена как количество энергии, необходимое для удаления внешнего электрона из газообразного положительно заряженного атома. Если вы удалите электрон из нейтрально заряженного атома, вы получите положительный заряд. Это происходит потому, что не хватает электронов для нейтрализации положительного заряда ядра. Чтобы удалить еще один электрон из этого положительно заряженного атома, требуется очень большое количество энергии. Это количество энергии называется второй энергией ионизации. Это можно проиллюстрировать на примере реакции, показанной ниже.
Вторая энергия ионизации всегда выше первой энергии ионизации, потому что удалить электрон из положительно заряженного атома гораздо труднее, чем из нейтрально заряженного атома; это происходит потому, что оставшиеся электроны сильно притягиваются к ядру после удаления электрона из нейтрального атома.
Рисунок 2: Различия между первой, второй и третьей энергией ионизации в переходных металлах.
На рисунке выше показана разница между первой, второй и третьей энергиями ионизации. Это различие обусловлено тем, что удаление электронов становится более трудным с увеличением положительного заряда. Кроме того, при удалении электронов атомный радиус уменьшается. Это также затрудняет удаление другого электрона.
Разница между первой и второй энергией ионизации
Определение
Энергия первой ионизации: Энергия первой ионизации — это количество энергии, которое необходимо газообразному нейтральному атому, чтобы удалить свой внешний электрон.
Вторая энергия ионизации: Вторая энергия ионизации — это количество энергии, необходимое положительно заряженному газообразному атому для удаления своего внешнего электрона.
Значение
Первая энергия ионизации: Первая энергия ионизации имеет относительно низкое значение.
Вторая энергия ионизации: Вторая энергия ионизации имеет относительно высокое значение.
Исходные виды
Первая энергия ионизации: Первая энергия ионизации определяется по отношению к нейтрально заряженному атому.
Вторая энергия ионизации: Вторая энергия ионизации определяется по отношению к положительно заряженному атому.
Конечный продукт
Энергия первой ионизации: Конечный продукт представляет собой заряженный атом +1 после первой ионизации.
Энергия второй ионизации: Конечный продукт после второй ионизации представляет собой атом с зарядом +2.
Заключение
Значения энергии ионизации важны для определения реакционной способности химических элементов. Он также помогает определить, будет ли происходить химическая реакция. Энергия ионизации иногда служит в качестве энергии активации для конкретной реакции. Основное различие между первой и второй энергиями ионизации заключается в том, что первая энергия ионизации ниже, чем вторая энергия ионизации для конкретного элемента.
Рекомендации:
1. «Энергия ионизации». 1.
Истинно свободный электрон
Идея о том, что перенормировкой массы в фотонных кристаллах нужно заниматься осторожно — не для того, чтобы сразу отбросить электромагнитную массу, а чтобы сначала понять, как фотонные кристаллы могут на нее влиять — была впервые высказана мне моим начальником, профессором Ренатом Гайнутдиновым, в 2008 году. С тех пор мы глубоко изучили этот вопрос. И с каждым шагом наше понимание того, насколько масштабными могут быть последствия этого эффекта, росло. Наши расчеты подтвердили наши первоначальные гипотезы: Если электромагнитная масса существует, то фотонные кристаллы должны влиять на нее. Это также должно изменить наблюдаемую массу электрона, свободно летающего в полостях фотонного кристалла, не касаясь стенок и не взаимодействуя с ними.
Конечно, электромагнитная масса в фотонном кристалле также была бесконечной. Однако она отличается от бесконечной электромагнитной массы вакуума довольно ограниченной и поддающейся вычислению поправкой. Если предположить, что «голая» масса электрона одинакова в обоих случаях, это означает, что наблюдаемая масса электрона при помещении его в полость фотонного кристалла должна изменяться ровно на разницу между этими двумя бесконечными массами.
Кроме того, можно сделать вывод, что поправка к массе электрона должна зависеть от направления его импульса. Другими словами: Если электрон летит на север, он имеет одну массу, если на восток — другую. Это неизбежное следствие анизотропии фотонного кристалла. Нечто подобное, кстати, наблюдается с электроном в обычных кристаллах, за исключением того, что там электрон является квазичастицей, неотделимой от кристалла. В нашем случае это действительно свободный электрон.
Анизотропия массы электрона в фотонном кристалле имеет очень важные последствия: Для электрона, связанного с атомом, энергетическая поправка, связанная с изменением массы, зависит от состояния, в котором он находится. В публикации 2012 года мы рассчитали эту поправку для основного состояния электрона в атоме водорода, и она оказалась почти в 10 000 раз больше, чем предсказанный ранее «гигантский сдвиг Лэмба». Этого значения уже достаточно, чтобы существенно сдвинуть частоты спектральных линий атомов, которые определяются разницей энергий между верхним и нижним уровнями. В этом и заключается хитрость фотонных кристаллов — в изотропных средах поправка на массу также имеет место, но поскольку она одинакова для всех состояний, она уменьшается в разности энергий.
Это не сон, Дмитрий Иванович
Однако наиболее интересной является передняя часть. Если мы можем использовать фотонные кристаллы для изменения разности энергий между двумя состояниями атома, мы также можем изменить его энергию ионизации. Энергия ионизации — это минимальная энергия, которую необходимо подвести к атому или иону в основном состоянии, чтобы электрон оторвался от него. Энергия ионизации определяет химическую активность атома и весь периодический закон химических элементов. Для того чтобы удалить электрон из самого инертного элемента во Вселенной — гелия — необходимо передать энергию в 24,47 электрон-вольт (например, с помощью радиации), в то время как самый химически активный элемент — цезий — лишается электрона с помощью 3,89 электрон-вольт.
В недавней работе мы оценили влияние фотонного кристалла на энергию ионизации атомов щелочных металлов и водорода. Считалось, что атомы встроены в вакансии одномерного фотонного кристалла, состоящего из слоев материала с чрезвычайно высоким показателем преломления. Было показано, что энергия ионизации указанных атомов может быть уменьшена таким образом на 2,64 электронвольта, т.е. почти на 68 % для атома цезия. Другими словами, химически активные элементы фотонного кристалла должны стать еще более активными.
Мы выбрали эти атомы, потому что они имеют одинаковое основное состояние. Мы имеем перед собой расчеты эффекта для других атомов и предполагаем, что поправка на энергию ионизации будет различной для этих атомов при одинаковых условиях. Это означает, что два атома могут поменяться местами в последовательности химических действий. Это означает, что разработанная нами теория позволяет, в определенной степени, нарушить периодический закон химических элементов. Порядок самих элементов в матрице Менделеева, конечно, не меняется, но зависимость энергии ионизации от атомного номера может усложняться и приобретать дополнительные максимумы и минимумы.
Кроме того, мы учли, что энергия, необходимая для отрыва электрона, также зависит от направления, в котором летит электрон после отрыва. Поскольку химический состав атомов влияет на то, как они собираются в молекулы, мы ожидаем, что химические связи также будут анизотропными в фотонном кристалле. Молекула метана, например, больше не является тетраэдрически симметричной. Как это меняет его физико-химические свойства и что это может дать стереохимикам — предмет будущих исследований.
Особенно интересно то, что влияние изменения массы на химическую активность атомов позволяет провести простую экспериментальную проверку: мы можем просто сравнить кинетику и скорость химических реакций внутри и снаружи одномерного фотонного кристалла. Если разница подтвердится, это откроет путь ко многим интересным физическим и химическим результатам. Важно, однако, что в этом случае электромагнитная масса, которая, по словам Фейнмана, полвека назад была скрыта под ковром перенормировки, выходит из тени и открывает целый пласт возможностей для управления свойствами материи.
Но если разница не осознается. Ну, тогда нам, физикам-теоретикам, нужно сесть за стол для серьезной дискуссии. Ведь если мы принимаем взаимодействие с вакуумом как объективно реальный процесс с участием энергии, то в случае свободного электрона эта энергия должна быть полностью преобразована в массу в соответствии со специальной теорией относительности. Отсутствие электромагнитной массы ставит под угрозу одно из звеньев этой логической цепи, поскольку если ее не существует, то мы должны либо отказаться от идеи квантовых флуктуаций вакуума, либо отменить формулу E=mc 2 — и то, и другое, однако, было надежно продемонстрировано большим количеством экспериментов.
