Η θεωρία στο άρθρο αυτό προέρχεται από την ενότητα 1.2.8 του βιβλίου  «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» – Κ. Καλαματιανός.   Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks.    

 Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.

  

 Διατίθεται επίσης στα εξής  βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων): Ιανός (Αθήνα – Θεσ/νικη), ΚορφιάτηςΓρηγόρη, ΕλευθερουδάκηςΠατάκης,  Αναστασάκης, Βιβλιοχώρα.

  

  1.2.8              ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ

 Στην προηγούμενη ενότητα παρουσιάσαμε τον επιτυχημένο τρόπο με τον οποίο το κβαντομηχανικό πρότυπο για το άτομο ερμηνεύει την μεταβολή της ατομικής ακτίνας καθώς μετακινούμαστε σε μία περίοδο ή ομάδα του περιοδικού πίνακα.

Η χρησιμότητα και η αξία κάθε προτύπου (μοντέλου που έχει αναπτυχθεί από τον άνθρωπο στις φυσικές επιστήμες) είναι η ικανότητά του να ερμηνεύει πειραματικά δεδομένα. Στην ενότητα αυτή θα διαπιστώσουμε πώς το κβαντομηχανικό πρότυπο ερμηνεύει εξίσου καλά πειραματικά δεδομένα που αφορούν την μεταβολή στην ενέργεια ιοντισμού των ατόμων καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα ή περίοδο του περιοδικού πίνακα.

Σκοπός σε αυτή την ενότητα είναι:

                                 i.      Να κατανοηθεί τι λέμε ενέργεια ιοντισμού και με ποιο τρόπο ένα άτομο αποβάλλει («χάνει») ηλεκτρόνια

                               ii.      Να παρουσιασθεί πώς ο περιοδικός πίνακας και η ηλεκτρονιακή δομή των στοιχείων (κβαντομηχανικό πρότυπο) μας επιτρέπουν να προβλέπουμε την μεταβολή της ενέργειας ιοντισμού κατά μήκος μίας περιόδου ή ομάδας του περιοδικού πίνακα

                              iii.      Να παρουσιασθεί η χρησιμότητα της ενέργειας ιοντισμού και η συσχέτισή της με φυσικές και χημικές ιδιότητες του ατόμου

Η απάντηση στον σκοπό (i) παραπάνω δίνεται από τον ορισμό:

Ενέργεια ιοντισμού (Εi)  ονομάζεται η ελάχιστη ενέργεια [1] που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο που βρίσκεται σε αέρια φάση και στην θεμελιώδη του κατάσταση.

 Ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Εi1) ονομάζεται η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ελεύθερο άτομο που βρίσκεται σε αέρια φάση και στην θεμελιώδη κατάσταση.

Για παράδειγμα για το Na(g) η ενέργεια πρώτου ιοντισμού είναι η ενέργεια που χρειάζεται για την αντίδραση:

Na(g)    →   Na+(g) + e              Εi1 > 0

Αντίστοιχα για το Na(g) η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού είναι η ενέργεια που χρειάζεται για την αντίδραση:

Na+(g)    →    Νa+2(g) + e          Εi2 > 0

Ως μονάδα μέτρησης για την ενέργεια ιοντισμού χρησιμοποιείται το kJ.mol-1

Όπως φαίνεται και παραπάνω για την απομάκρυνση ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρονίων από ένα άτομο πρέπει να δοθεί ενέργεια [2] στα ηλεκτρόνια του ατόμου ώστε να «εξουδετερωθούν» οι ελκτικές δυνάμεις του πυρήνα (οι παραπάνω αντιδράσεις είναι ενδόθερμες καθώς απορροφούν ενέργεια) [3].

Είναι επίσης λογικό να περιμένουμε ότι για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού ενός στοιχείου θα ισχύει ότι η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του πρώτου ηλεκτρονίου θα είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του δευτέρου η οποία με την σειρά της θα είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του n ηλεκτρονίου ή συνοπτικά  Εin >…> Εi2 > Εiκαθώς είναι ευκολότερο να απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο από ουδέτερο άτομο από ότι από άτομα που έχουν διαδοχικά αυξανόμενο θετικό φορτίο.

Πειραματικά δεδομένα για τις ενέργειες ιοντισμού των στοιχείων της περιόδου 3 δίνονται στον Πίνακα 1-12.

Πίνακας 1‑12:  Διαδοχικές τιμές για τις ενέργειες ιοντισμού, E, για τα στοιχεία της περιόδου 3 του περιοδικού πίνακα (kJ/mol)

  Στοιχείο E1  E2  E3  E4  E5  E6  E7 
     Na 496 4560          
     Mg 738 1450 7730        
     Al 578 1820 2750 11600      
     Si 786 1580 3230 4360 16100    
     P 1012 1900 2910 4960 6270 22200  
     S 1000 2250 3360 4560 7010 8500 27100
    Cl 1251 2300 3820 5160 6540 9460 11000
   Ar 1521 2670 3930 5770 7240 8780 12000

 

Aπο τον Πίνακα 1-12 προκύπτει για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού Εi1, Εi2, Εi3  για κάθε στοιχείο:

  • Εi< Εi2 < Εi3 η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του πρώτου ηλεκτρονίου είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του δεύτερου ηλεκτρόνιου που με την σειρά της είναι μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του τρίτου ηλεκτρονίου…
  • Η ενέργεια ιοντισμού που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου εσωτερικής στιβάδας (που είναι συμπληρωμένη με οκτώ ηλεκτρόνια) είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας.

 Για παράδειγμα ας εξετάσουμε το στοιχείο 13Al που η ηλεκτρονιακή δομή του είναι: Ηλεκτρονιακή δομή 13Al:  1s22s22p63s23p1

Παρατηρούμε στον Πίνακα 1-13 παρακάτω ότι για την απομάκρυνση του εξωτερικού 3p ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al+ απαιτείται ενέργεια Εi1 = 578 kJ/mol. Για την απομάκρυνση του πρώτου 3s ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al+2 απαιτείται ενέργεια Εi2 = 1820 kJ/mol ενώ για την απομάκρυνση του δεύτερου 3s ηλεκτρονίου και τον σχηματισμό του Al+3 απαιτείται ενέργεια Εi3 = 2750 kJ/mol. Για να απομακρυνθεί όμως το τέταρτο ηλεκτρόνιο από την εσωτερική στιβάδα n=2 (υποστιβάδα 2p) και να σχηματισθεί Al+4 απαιτείται να δοθεί μεγάλη ενέργεια στο άτομο και συγκεκριμένα Εi4 = 11600 kJ/mol.

Η μεγάλη αυτή αύξηση στην ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση του τέταρτου ηλεκτρονίου μπορεί να εξηγηθεί με τον παρακάτω τρόπο:

  • Τα 2p ηλεκτρόνια βρίσκονται ποιο κοντά στον πυρήνα από τα 3s και 3p και έλκονται ισχυρότερα. Επομένως απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού για την απομάκρυνσή τους
  • Η απομάκρυνση ηλεκτρονίου από στιβάδα που είναι συμπληρωμένη με οκτάδα ηλεκτρονίων απαιτεί μεγάλη ενέργεια [4] καθώς η συμπληρωμένη στιβάδα έχει  μεγάλη ενεργειακή σταθερότητα (παρατηρείστε ότι η στιβάδα n=2 είναι συμπληρωμένη με οκτώ ηλεκτρόνια στο 13Al)

 

Πίνακας 1‑13: Ιοντισμός του ατόμου του 13Al και αντίστοιχες ενέργειες ιοντισμού (kJ/mol)

  ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ 13Al
 Στοιχείο             Al       →          Al+      →      Al+2        →       Al+3    →     Al+4
 Ηλεκτρονιακή δομή     1s22s22p63s23p1  1s22s22p63s2  1s22s22p63s1  1s22s22p6  1s22s22p5
Ενέργεια που απαιτείται να δοθεί στο στοιχείο για την αποβολή ηλεκτρονίου (e) (kJ/mol)  +578  +1820  +2750  +11600   

Ήδη έχουμε παρουσιάσει και εξηγήσει παραπάνω γιατί στο ίδιο στοιχείο οι διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού αυξάνουν.

Τι παρατηρούμε όμως όσο αφορά την ενέργεια ιοντισμού των στοιχείων καθώς μετακινούμαστε στον περιοδικό πίνακα και πώς ερμηνεύονται οι παρατηρήσεις με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων; (σκοπός ii στην ενότητα 1.2.8).

Για να εξηγήσουμε το γιατί η ενέργεια ιοντισμού διαφέρει από στοιχείο σε στοιχείο πρέπει να προσδιορίσουμε τις παραμέτρους που επιδρούν στην ελκτική δύναμη πυρήνα – ηλεκτρονίων εξωτερικής στιβάδας καθώς όσο μεγαλύτερη η ελκτική δύναμη τόσο μεγαλύτερη η απαιτούμενη ενέργεια ιοντισμού.

Οι παράγοντες αυτοί είναι:

  • Η ατομική ακτίνα
  •  Το δραστικό πυρηνικό φορτίο

 

Άσκηση – Παράδειγμα  #1-43    

H αντίδραση για την ενέργεια τρίτου ιοντισμού του Ti δίνεται από:

α)  Τi+3 (g) + e   →    Ti+2 (g) δ)  Τi (g)    →     Ti+3(g) + 3e
β)  Τi+2 (g)   →     Ti+3 (g) + e ε)  Τi (s)          Ti(g) + e
γ)  3 Τi (g)   →     3 Ti+(g) + 3e  

 Λύση:

H σωστή απάντηση είναι η (β). Ως ενέργεια τρίτου ιοντισμού ορίζεται η ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα χημικό είδος που βρίσκεται σε αέρια φάση και έχει ήδη «χάσει» δύο ηλεκτρόνια (στην συγκεκριμένη περίπτωση από το Τi+2).  Η μόνη αντίδραση που μπορεί να επιλεγεί από τις παραπάνω είναι η (β).

 

Mεταβολή της Ενέργειας Ιοντισμού κατά Μήκος μίας Ομάδας του Περιοδικού Πίνακα 

Καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα από επάνω προς τα κάτω έχει παρατηρηθεί πειραματικά ότι η ενέργεια ιοντισμού ελαττώνεται. Για παράδειγμα για τις ενέργειες ιοντισμού των στοιχείων της ομάδας 1 παρατηρούμε ότι ισχύει: Li > Na > K > Rb > Cs (Σχήμα: 1-39α)

Δύο είναι γενικά οι παράμετροι σύμφωνα με το κβαντομηχανικό πρότυπο (ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων) που καθορίζουν το πόσο ισχυρά έλκεται ένα ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα του ατόμου  και παίζουν καθοριστικό ρόλο στην διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας ιοντισμού: (θυμηθείτε ότι όσο μεγαλύτερες οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ιοντισμού): [5]

  • Η ατομική ακτίνα η οποία αυξάνει καθώς μετακινούμαστε σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα από επάνω προς τα κάτω με αποτέλεσμα η έλξη πυρήνα – ηλεκτρονίων εξωτερικής στιβάδας να ελαττώνεται και επομένως η ενέργεια ιοντισμού να ελαττώνεται
  •  Το δραστικό πυρηνικό φορτίο το οποίο ενεργεί στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας και το οποίο παραμένει σταθερό στα στοιχεία της ίδιας ομάδας (δες επεξήγηση στην ενότητα «Μεταβολή της ατομικής ακτίνας κατά μήκος μίας ομάδας του περιοδικού πίνακα»  στην σελίδα 90)

   

   

Σχήμα 1-39:  α) Ενέργειες 1ου ιοντισμού των στοιχείων της ομάδας 1 του περιοδικού πίνακα.  Παρατηρούμε ότι η ενέργεια ιοντισμού ελαττώνεται καθώς ο ατομικός αριθμός των στοιχείων αυξάνει (καθώς μετακινούμαστε στην ομάδα από επάνω προς τα κάτω)  β) Ενέργειες 1ου ιοντισμού των στοιχείων των περιόδων 1 και 2 του περιοδικού πίνακα. Παρατηρούμε ότι οι ενέργειες ιοντισμού αυξάνουν καθώς μετακινούμαστε από αριστερά στα δεξιά στις περιόδους 1 και 2.

Επομένως με βάση τα παραπάνω:

Σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα η ενέργεια ιοντισμού αυξάνει καθώς μετακινούμαστε από κάτω προς τα επάνω.

  

[1] Το ασθενέστερα συνδεδεμένο με τον πυρήνα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται πρώτα από το άτομο για τον λόγο αυτό ο ορισμός αναφέρεται στην ελάχιστη ενέργεια. To ασθενέστερα συνδεδεμένο με τον πυρήνα ηλεκτρόνιο(α) είναι το ηλεκτρόνιο(α) της εξωτερικής στιβάδας. Κατά τον ιοντισμό ατόμων πρώτα απομακρύνονται τα ηλεκτρόνια των υποστι-βάδων που έχουν τον μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό (που βρίσκονται στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο).

[2] Για να «χάσει» ένα άτομο ηλεκτρόνιο(α) πρέπει να του δοθεί ενέργεια όπως π.χ. ακτινοβολία συγκεκριμένης συχνό-τητας, θερμότητα κλπ…

[3] Ενδόθερμη αντίδραση ονομάζεται η αντίδραση στην οποία απορροφάται ενέργεια.

[4] Τα ευγενή αέρια έχουν συμπληρωμένη με 8 ηλεκτρόνια την εξωτερική τους στιβάδα. Σε κάθε περίοδο του περιοδικού πίνακα το αντίστοιχο ευγενές αέριο εμφανίζει την υψηλότερη ενέργεια.

[5] Θυμηθείτε ότι όσο μεγαλύτερες οι ελκτικές δυνάμεις πυρήνα – ηλεκτρονίου τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ιοντισμού.

Οι παράμετροι που επιδρούν στην ενέργεια ιοντισμού είναι: i) το δραστικό πυρηνικό φορτίο ii) η ατομική ακτίνα. Οι παράμετροι αυτοί καθορίζουν πόσο ισχυρά ένα ηλεκτρόνιο έλκεται από τον πυρήνα του ατόμου. Ειδικά σε στοιχεία που βρίσκονται στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα η κύρια παράμετρος είναι η ατομική ακτίνα καθώς το δραστικό πυρηνικό φορτίο παραμένει σχεδόν σταθερό.


 
Advertisements