Énergie d'ionisation

L' énergie d'ionisation (aussi l' énergie d'ionisation , potentiel d'ionisation , l' enthalpie d'ionisation ) est l' énergie qui est nécessaire pour ioniser un atome ou molécule en phase gazeuse , à savoir c'est-à-dire séparer un électron d'un atome ou d'une molécule. Il peut être délivré par rayonnement , par des températures élevées ou par des réactions chimiques. En physique atomique , l'énergie d'ionisation est également appelée énergie de liaison .

Général

Après ionisation, un atome ou une molécule auparavant électriquement neutre a une charge électrique positive . La différence de charge précédemment équilibrée entre le (s) noyau (s) atomique (s) et la couche électronique est décalée par le retrait d'un électron. On parle d'un atome ou d'une molécule ionisé positivement ou d'un cation . Ceci est indiqué par le signe exposant '+' suivant ; z. B. un cation sodium est identifié comme Na ⁺ (Na est le symbole de l' élément pour le sodium). L'énergie nécessaire pour cela est la première énergie d'ionisation .

Tant qu'un cation a encore des électrons, il peut être ionisé davantage en ajoutant plus d'énergie, mais l'énergie requise augmente avec chaque ionisation supplémentaire. En général, la nième énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour éliminer le nième électron. Un cation ionisé multiplié est symboliquement identifié par un nombre placé devant le signe « + » ; z. B. un ^cation aluminium triple ionisé est appelé Al ³⁺ .

unité

Pour un seul électron l'énergie d'ionisation est donnée en eV /atome, mais pour 1  mol de substance elle est donnée en kJ /mol. Le facteur de conversion résulte de la conversion entre eV et J, c'est-à-dire la charge élémentaire e ; le facteur 1000, puisque kJ est utilisé au lieu de J ; ainsi que la constante d'Avogadro pour la conversion en moles. Cela donne seulement un millième de la constante de Faraday , qui est une constante exacte exprimée en unités SI depuis la révision du SI en 2019 : ${\ displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$ ${\ displaystyle F = N _ {\ mathrm {A}} \ cdot e}$

1 eV / atome = 96.485 332 123 310 018 4  kJ/mol,

où sur la gauche, le "par atome" est principalement laissé de côté.

Première énergie d'ionisation et tableau périodique

Première énergie d'ionisation en fonction du numéro atomique

La première ionisation dépend de la force d' attraction entre le noyau et l'électron à éliminer, qui selon la formule de Coulomb est calculée :

${\ displaystyle F = k _ {\ mathrm {C}} \ cdot {\ frac {Ze \ cdot (-e)} {r ^ {2}}}}$

avec

• Numéro atomique ou atomique${\ style d'affichage Z}$
• Charge élémentaire ${\ style d'affichage e}$
• Distance de l'électron au noyau${\ style d'affichage r}$
• Constante de Coulomb ${\ displaystyle k _ {\ mathrm {C}} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}}}$

avec un champ électrique constant .${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$

L'énergie d'ionisation ou énergie de liaison est la somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique de l'électron . Comme en orbite stable, selon le Virialsatz toujours, la grandeur d'ionisation est toujours égale à l'énergie cinétique, soit la moitié de l'énergie potentielle : . Cela se traduit par l'énergie d'ionisation de l'hydrogène au niveau d'énergie le plus bas, également appelé énergie Rydberg : ${\ style d'affichage B}$${\ style d'affichage V}$${\ style d'affichage T}$${\ style d'affichage B = V + T}$${\ style d'affichage 2T = -V}$${\ style d'affichage B = T + V = -T = V / 2}$

${\ displaystyle R_ {y} = {\ frac {e ^ {2} k_ {C}} {2a_ {0}}} = {\ frac {v_ {0} ^ {2} m_ {e}} {2} }}$

avec

• Rayon de perçage ${\ displaystyle a_ {0} = {\ tfrac {\ hbar ^ {2}} {e ^ {2} m_ {e} k_ {C}}} = {\ tfrac {\ hbar} {\ alpha m_ {e} c}}}$
• Masse d'électrons ${\ displaystyle m_ {e}}$
• Vitesse orbitale dans la première orbitale ${\ displaystyle v_ {0} = \ alpha c}$
• Constante de structure fine ${\ style d'affichage \ alpha}$
• Vitesse de la lumière ${\ style d'affichage c}$
• Réduction du quantum d'action de Planck ${\ displaystyle \ textstyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}}}$

Dans les orbites plus excitées, l'énergie d'ionisation diminue et augmente avec un nombre plus élevé de protons dans le noyau, comme le montre la force de liaison . En général, selon le modèle atomique de Bohr , l'énergie de liaison pour un seul électron est : ${\ style d'affichage F}$

${\ displaystyle B = {\ frac {e ^ {2} k_ {C} Z} {2r_ {n}}} = {\ frac {v_ {0} ^ {2} m_ {e} Z} {2n ^ { 2}}} = {\ frac {v_ {n} ^ {2} m_ {e} Z} {2}} = {\ frac {Z ^ {2} R_ {y}} {n ^ {2}}} }$

avec

• Nombre quantique principal ${\ style d'affichage n}$
• Rayon de l'orbite ${\ displaystyle r_ {n} = n ^ {2} a_ {0} / Z}$
• Vitesse de piste ${\ displaystyle v_ {n} = v_ {0} / n}$

La première énergie d'ionisation augmente fortement au cours d'une période , même si l'augmentation est discontinue de gauche à droite. La raison de l'augmentation est l'augmentation du nombre atomique et l'attraction plus forte résultante des électrons par le noyau. Bien que le nombre d'électrons dans la couche augmente dans la même mesure de gauche à droite au cours de la période, l'électron supplémentaire est toujours intégré dans la même coque, la coque externe. Les électrons déjà présents ne peuvent pas protéger l'électron entrant respectif aussi fortement de la charge nucléaire car ils ont la même distance nucléaire que l'électron nouvellement ajouté. L'augmentation de la charge nucléaire ne peut pas être compensée par l'augmentation de la charge de la couche électronique, de sorte que l'énergie d'ionisation augmente. Le caractère discontinu de l'augmentation est particulièrement évident dans le passage de l' azote à l' oxygène . Ici, l'énergie d'ionisation diminue même de gauche à droite. Les raisons de telles discontinuités peuvent être interprétées avec le modèle orbital atomique . Avec sa couche p à moitié occupée, l'azote a une configuration électronique stable à faible énergie. Une quantité d'énergie particulièrement importante est donc nécessaire pour éliminer un électron. Globalement, les énergies d'ionisation des métaux alcalins représentent le minimum et les énergies d'ionisation des gaz rares représentent chacune le maximum de la période.Ces extrêmes deviennent plus petits au sein d'un groupe de haut en bas, puisque l'électron à éliminer est situé sur nouvelle coquille selon le modèle de coquille de l'atome , ainsi sa distance du noyau augmente et moins d'énergie doit être dépensée pour le libérer de l'attraction du noyau. De manière correspondante, la première énergie d'ionisation diminue pendant la transition d'une période à la suivante, par ex. B. du néon au sodium, brusquement. ${\ style d'affichage Z}$${\ style d'affichage r}$

liens web

Wiktionnaire : énergie d'ionisation  - explications de sens, origines des mots, synonymes, traductions

• https://chemglobe.org/general/atomehaben/ionisierung.php