Energia d'ionització

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

L'energia d'ionització, simbolitzada E1, és la mínima energia necessària per extreure un electró d'un àtom neutre o molècula en el seu estat fonamental. Aquesta energia es mesura habitualment en joules per mol o en electrovolts. Antigament s'anomenava potencial d'ionització.[1] Per a un àtom neutre X el procés es pot simbolitzar amb la següent equació:

X \longrightarrow X^+ + e^-

S'anomena segona energia d'ionització, simbolitzada E2, a l'energia necessària per extreure el segon electró, després d'haver extret ja el primer. És a dir l'energia pel procés:

X^+ \longrightarrow X^{2+} + e^-

Pels electrons successius es defineixen les tercera, quarta, etc. energies d'ionització.

Els valors de totes les energies d'ionització d'un mateix àtom i per a tots els àtoms és sempre positiva, ja que la ionització és un procés endotèrmic. Cal aportar energia a l'àtom per deslligar els seus electrons de les forces d'atracció que els mantenen units al nucli atòmic. Els electrons extrets sempre són els que es troben més feblement units al nucli, això és els situats a la capa més externa de l'escorça electrònica. És un procés que es pot entendre com la promoció del darrer electró de l'àtom, situat al nivell més alt ocupat, fins al nivell infinit. Pel sodi tendríem:

Na(g) \longrightarrow Na^+(g) + e^-
1s^22s^22p^63s^1 \longrightarrow 1s^22s^22p^6 + e^-

Com indica la definició també és possible la ionització de molècules, com ara dioxigen, O2, monòxid de carboni, CO, diòxid de nitrogen, NO2, etc. En el cas de l'oxigen el procés es pot representar amb l'equació:

O_2(g) \longrightarrow O_2^+(g) + e^-

Periodicitat de les energies d'ionització[modifica | modifica el codi]

Les energies d'ionització segueixen unes tendències prou clares quan els elements s'ordenen en funció del seu nombre atòmic, Z. També s'observa una clara variació en els elements que pertanyen a una mateixa família o grup de la taula periòdica. Aquestes variacions són:

Energies d'ionització dels elements en funció del nombre atòmic

Variació en un grup[modifica | modifica el codi]

En un grup o família de la taula periòdica, elements químics situats en una columna, l'energia d'ionització disminueix en augmentar el nombre atòmic Z. A la figura adjunta s'observa clarament amb dos grups d'elements: els gasos nobles que tenen els màxims d'energies d'ionització, i amb els alcalins que tenen les mínimes energies d'ionització. Els elements d'aquests grups tenen energies d'ionització menors a mesura que augmenta el seu nombre atòmic, és a dir, a mesura que es devalla en una columna de la taula periòdica. La causa d'aquesta variació és que, si bé en baixar dins d'un grup la càrrega nuclear és major perquè al nucli hi ha un major nombre de protons i l'atracció electrostàtica també ho és, la posició dels electrons de la darrera capa de l'escorça electrònica està cada vegada més allunyada del nucli atòmic, i això fa que l'atracció electrostàtica, segons la llei de Coulomb, sigui menor, ja que és inversament proporcional a la distància entre càrregues (protons del nucli-electró més extern). També s'ha de considerar la repulsió dels electrons interns, l'anomenat efecte d'apantallament, que redueix l'atracció del nucli. per aquestes raons les energies d'ionització disminueixen en baixar dins d'un grup, per tant els àtoms que se situen a la part més baixa de la taula periòdica són més fàcilment ionitzables.[2][3]

Variació en un període[modifica | modifica el codi]

En un període de la taula periòdica l'energia d'ionització augmenta en augmentar el número atòmic Z. Quan s'avança dins d'un període augmenta el nombre de protons i, per tant, la càrrega nuclear, produint una atracció electrostàtica major sobre els electrons externs. Contràriament al que passa dins dels grups, tots els electrons més externs en un període ocupen la mateixa capa electrònica i, per això, se situen a distàncies semblants del nucli i amb la major càrrega nuclear s'aproximen més a ell. Així els electrons més externs estan més propers al nucli, la qual cosa implica major atracció electrostàtica i, també, la càrrega nuclear és major pel major nombre de protons, per tant també major atracció. En conseqüència les energies d'ionització augmenten considerablement dins d'un període com s'observa a la figura (els períodes se situen entre màxims consequtius). El darrer element del període, el gas noble, és el que té el potencial d'ionització major. Després hi ha una baixada en omplir-se un altre nivell energètic i allunyar-se el darrer electró del nucli.[2][3]

S'observen, en avançar en el període mínims relatius, això es pot explicar emprant com a exemple el segon període que va del liti al neó. Els dos primers elements del període, el liti i el beril·li, omplen d'electrons el nivell d'energia 2s, seguin la tendència general del període. Però l'element següent, el bor, situa el seu darrer electró al mateix nivell 2 però al subnivell 2p, un poc més allunyat del nucli que el subnivell 2s. Per aquesta raó el bor té una energia d'ionització inferior a la del beril·li. També l'oxigen té una energia d'ionització inferior al que es podria esperar. La raó és que l'element anterior, el nitrogen té tres electrons als orbitals atòmics 2p, ocupant cada electró un d'ells (configuració 2px12py12pz1), i l'oxigen té un d'aquests orbitals ocupat per dos electrons (configuració 2px22py12pz1). La repulsió entre aquests dos electrons que ocupen un mateix orbital fa que sigui menys costós energèticament extreure'l i, per tant, la seva energia d'ionització és més baixa que la tendència general. Aquests mínims es repeteixen en els següents períodes.[2][3]

Energies d'ionització consecutives[modifica | modifica el codi]

Les energies d'ionització consecutives, E1, E2, E3,... d'un mateix element químic són cada vegada més elevades, E1 < E2 < E3 < ... a mesura que els electrons que cal extreure de l'àtom estan situats a nivells més inferiors de l'escorça electrònica. Les energies d'ionització d'electrons situats al mateix nivell energètic tenen magnituds semblants. Però si comparam energies d'ionització que extreuen electrons de dos nivells diferents les diferències poden estar en un ordre de magnitud. Per exemple, el sodi presenta les següents energies E1 i E2 molt diferents perquè els electrons estan situats al nivell 3 i 2 respectivament:

Na(g) \longrightarrow Na^+(g) + e^- \qquad E_1 = 495,8 \; kJ/mol
1s^22s^22p^63s^1 \longrightarrow 1s^22s^22p^6 + e^-


Na^+(g) \longrightarrow Na^{2+}(g) + e^- \qquad E_2 = 4 562 \; kJ/mol
1s^22s^22p^6 \longrightarrow 1s^22s^22p^5 + e^-

Però no són tan diferents la E2 i la E3:

Na^{2+}(g) \longrightarrow Na^{3+}(g) + e^- \qquad E_3 = 6 910 \; kJ/mol
1s^22s^22p^5 \longrightarrow 1s^22s^22p^4 + e^-


Mètodes de determinació experimentals[modifica | modifica el codi]

Segell de la República Democràtica Alemanya en record de Gustav Hertz i de l'experiment que li valé el Premi Nobel de Física del 1925, juntament amb James Franck.
El límit de la serie de Lyman de l'espectre visible de l'hidrogen correspon a l'energia d'ionització de l'hidrogen.

L'energia d'ionització és un dels pocs paràmetres fonamentals dels àtoms que és possible mesurar-los directament. Des de principis del segle XX s'han dissenyat diversos mètodes per a la seva determinació:

  • Bombardeig d'electrons. Fou el primer mètode emprat per a la determinació d'energies d'ionització en base a l'experiment de Franck-Hertz (1914), realitzat pels físics James Franck i Gustav Hertz que reberen el Premi Nobel de Física de 1925, ja que amb ell demostraren la quantització de les òrbites dels electrons. Es disposa l'element del qual se'n vol determinar l'energia d'ionització en forma de gas dins un tub. Posteriorment es bombardeja amb electrons accelerats mitjançant una diferència de potencial elèctric. Aquests electrons tenen energies cinètiques conegudes a partir de la diferència de potencial. En arribar a un cert valor d'energia cinètica els electrons poden extreure'n d'altres de la capa més externa de l'àtom que s'analitza deixant els àtoms en forma de cations que es poden detectar. Amb aquestes dades és possible determinar l'energia d'ionització. El fet que s'emprassin diferències de potencial elèctric per accelerar els electrons donà lloc a que l'energia d'ionització s'anomenés inicialment potencial d'ionització.[4]
  • Espectroscopia atòmica. A l'espectroscopia atòmica s'exciten els electrons dels àtoms vaporitzats mitjançant una flama. Els electrons pujen de nivell i, seguidament, tornen caure als orbitals més baixos que ocupaven incialment (estat fonamental) emetent una radiació que es pot detectar (espectre de ratlles). Els espectres tenen unes característiques que permeten detectar l'energia d'excitació des de qualsevol nivell ocupat al nivell infinit, és a dir, l'energia d'ionització.[5]
  • Espestroscopia fotoelectrònica. Aquest mètode està basat en l'efecte fotoelèctric i empra fotons d'energia coneguda que són llançats sobre els àtoms i poden extreure els electrons quan la seva energia és suficient (fotoionització).[6] A partir de l'energia dels fotons es pot determinar l'energia d'ionització.[5]

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. McNaught, A.D.; Wilkinson, A. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, the "Gold Book". 2ª (en anglès). Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997. DOI 10.1351/goldbook.I03199. ISBN 0-9678550-9-8 [Consulta: 27-març-13]. 
  2. 2,0 2,1 2,2 Russell, J.B. Química general. McGraw-Hill, 1980. ISBN 968-451-412-1. 
  3. 3,0 3,1 3,2 Gillespie, R.J; i col. Química (I). 1ª (en castellà). Barcelona: Reverté, 1990. ISBN 84-291-7187-8. 
  4. Parry, R.W. Química: fndamentos experimentales. Reverté, 1973. ISBN 9788429174663. 
  5. 5,0 5,1 Cruz-Garritz, D.; Chamizo, J.A.; Garritz, A. Estructura atómica. Un enfoque químico.. Wilmington: Addison Wesley Iberoamericana, 1986. 
  6. «Fotoionització». L'Enciclopèdia.cat. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.