به مقدار انرژی لازم برای جداکردن سستترین الکترون از یک اتم در حالت گازی و تبدیل آن به یک یون مثبت گازی را انرژی اولین یونش میگویند. این انرژی با واحد کیلوژول بر مول بیان میشود و وقتی اتم خنثی باشد جدا کردن الکترون از آن نسبت به یک یون راحتتر خواهد بود. این مقاله به تعریف انرژی اولین و دومین یونش و روند تغییر آن در جدول تناوبی عناصر میپردازد.
۱- تعریف انرژی یونش:
همان طور که گفته شد برای کندن الکترون از یک اتم گازی و تبدیل آن به یک کاتیون گازی انرژی لازم است، به این مقدار انرژی، انرژی یونش یا یونیزاسیون میگویند. چون در این واکنش باید بر نیروی جاذبه بین هسته و الکترونها غلبه شود انرژی مصرف میشود و علامت این انرژی نیز مثبت است. مثلا انرژی اولین یونش سدیم +۴۹۶ kj ∕ mol است. فرمول اولین انرژی یونش به شکل زیر است.
X (g) + E ۱ → X+ (g) + e
تعریف انرژی یونش
نکته:
دانستن انرژی یو نش در تشخیص نوع پیوندهایی که اتمها میتوانند باهم تشکیل دهند به ما کمک میکند. اگر اختلاف انرژیهای یو نش دو اتم با هم زیاد باشد (با توجه به اختلاف الکترونگاتیوی)، پیوند بین آنها یونی خواهد بود. به عنوان مثال انرژی یو نش کلر +۱۲۵۱ kj ∕ mol و برای سدیم هم که در بالا گفته شد، با هم اختلاف زیادی دارد بین آنها پیوند یونی ایجاد میشود. اما اگر عناصر باهم اختلاف کمی در انرژیهای یونششان داشته باشند بین آنها پیوندهای کووالانسی ایجاد میشود. مثل کربن و اکسیژن که در جدول تناوبی در کنار هم هستند و پیوند کووالانسی تشکیل میدهند.
۲- انرژی یونش اول، دوم، سوم و بالاتر:
برای هر گونه شیمیایی به اندازه تعداد الکترونهایی که دارد میتوان انرژی یونش تعریف کرد. میزان انرژی لازم برای جداکردن یک الکترون از اتم خنثی انرژی اولین یونش (IE ۱)، انرژی لازم برای جداکردن یک الکترون از یک یون یک بار مثبت گازی و تبدیل آن به یون دو بار مثبت را انرژی دومین یونش (IE ۲) میگویند. به همین ترتیب میزان انرژی مصرفی برای جداکردن الکترون از یک یون دو بار مثبت گازی و تبدیل آن به یون سه بار مثبت گازی را نیز انرژی سومین یونش (IE ۳) میگویند. به همین ترتیب هر الکترونی که کنده میشود این انرژی به نام شماره آن الکترون خواهد بود.
توجه:
به عبارتی دیگر انرژی n امین یونش به انرژی لازم برای جداکردن الکترون از گونهای با بار n-۱ گفته میشود. در هر یونش نیز ناپایدارترین الکترون با بالاترین سطح انرژی جدا میشود.
۳- روند تغییر انرژی یونش در یک عنصر:
انرژی یو نش از اولین تا بالاترین مرتبه برای هر عنصری زیاد میشود. چون در اولین انرژی یونش الکترون از اتم خنثی جدا میشود، ولی دومین الکترون از یک یون مثبت جدا میشود. الکترونها توسط یون مثبت جذب میشوند و بین آنها نیروی جاذبهای که برقرار میشود باعث میشود به میزان انرژی بیشتری احتیاج داشته باشیم. به ترتیب در انرژیهای یو نش بعدی بر تعداد بار مثبت کاتیون اضافه شده و میزان جاذبه بار مثبت و الکترونها افزوده شده و نیروی دافعه بین الکترونها کمتر خواهد بود و انرژی مصرفی برای جدا کردن الکترون بالاتر خواهد بود.
۴- روند تغییرات انرژی یونش در جدول تناوبی:
با افزایش شعاع اتمی، چون فاصله الکترونها از هسته دورتر میشود، جدا کردن آن از اتم راحتتر بوده و به میزان انرژی کمتری مورد نیاز است. برعکس با کمتر شدن شعاع اتمی انرژی کمتری مصرف میشود.
روند تغییرات انرژی یونش در جدول تناوبی
تغییر در گروه:
پس در یک گروه از بالا به پایین جدول و افزایش شعاع اتمی انرژی یو نش کاهش مییابد. در یک گروه با افزایش عدد اتمی بار موثر هسته افزایش مییابد، اما این اثر با افزایش تعداد الکترونهای داخلی که اثر پوششی دارند، کاسته میشود و با افزایش تعداد لایههای الکترونی و قرار گرفتن الکترونها در فاصله دورتری نسبت به هسته الکترون ظرفیت آسانتر جدا میشود و به انرژی کمتری نیاز دارد.
تغییر در یک دوره:
در یک دوره از جدول تناوبی به تدریج با حرکت از چپ به راست با کاهش شعاع اتمی انرژی یونش افزایش مییابد. چون در یک تناوب با افزایش عدد اتمی بار موثر هسته افزایش مییابد و شعاع کوچکتر شده، جدا کردن الکترون سخت میشود. در جدول تناوبی عناصر فلوئور بیشترین و سزیم کمترین مقدار انرژی یو نش را دارد.
در عناصر واسطه انرژی مخصوصا در عناصر واسطه داخلی تقریبا ثابت است. چون در این عناصر الکترون متمایز کننده به لایههای داخلی اضافه میشود و با توجه به اثر پوششی این الکترونها میزان این انرژی قابل توجیه خواهد بود.
توجه:
در کل عناصر گروه اول کمترین و هالوژنها بیشترین انرژی یونش را دارند و همچنین فلزات انرژی یونش پایین و نافلزات انرژی بیشتری دارند. چون فلزات در هنگام واکنش شیمیایی تمایل به از دست دادن الکترون و نافلزات میل به گرفتن الکترون دارند.
۵- استثنا در روند تغییرات انرژی یونش:
در بین این قوانین منظم تغییرات انرژی در یک دوره و گروه عناصر گروه دوم (فلزات قلیایی خاکی) و عناصر گروه ۱۵ (گروه نیتروژن) از این روند تبعیت نمیکند. انرژی عناصر گروه سوم (مثلا بور) کمتر از عناصر گروه دوم (بریلیم) است. این استثنا با آرایش الکترونی آنها قابل توضیح است. در بریلیم الکترون باید از اوربیتال پر و پایدار ۲ S جدا شود، اما در بور از اوربیتال نیمه پر ۲ P جدا میشود. اوربیتال ۲ S در فاصله نزدیک تری نسبت به اوربیتال ۲ P نسبت به هسته قرار دارد. پس جدا کردن الکترون از اتم بور راحتتر بوده و به انرژی کمتری نیاز است.
استثنا در روند تغییرات انرژی یونش
توجه:
این روند در تناوب سوم از منیزیم به آلومینیم و در تناوب چهارم از کلسیم به گالیم نیز صدق میکند. ولی در دورههای پنجم و ششم این حالتهای استثنا صادق نیست و انرژی این دورهها از قانون کلی افزایش در جدول تناوبی تبعیت میکنند.
همچنین:
استثنای دیگر، انرژی اتم نیتروژن از گروه ۱۵ باید کمتر از اکسیژن از گروه ۱۶ باشد، اما نیتروژن انرژی بیشتری دارد. چون نیتروژن دارای آرایش نیمه پر و پایدار P ۳ است و این سه الکترون طبق قاعده هوند در سه اوربیتال P و با جهتهای اسپین یکسان قرار گرفتند. اما در اکسیژن چهار الکترون در این سه اوربیتال قرار دارند. این الکترون اضافی نسبت به نیتروژن در یکی از این اوربیتالها به صورت جفت شده وجود دارد که دافعه بین آنها باعث میشود انرژی کمتری برای جدا کردن آنها مصرف شود تا به حالت پایدار سه تایی مثل نیتروژن برسند.
پس:
در نیتروژن انرژی زیادی لازم است تا یک الکترون جدا شود، چون از حالت پایدار خارج میشود. در اینجا نیز این حالتهای استثنا در تناوبهای سوم از فسفر به گوگرد و چهارم از آرسنیک به سلنیم نیز صادق، ولی در تناوبهای پنجم و ششم صادق نیست.
۶- جهش در عناصر جدول تناوبی:
گفته شد انرژیهای یونش یک عنصر با افزایش مرتبه واکنش به علت افزایش تعداد بار مثبت و نیروی جاذبه افزایش مییابد. اما در بین این تغییرات دو نوع جهش (افزایش ناگهانی در مقدار انرژی) دیده میشود. وقتی در آرایش الکترونی اتمها لایهها عوض شود و الکترون از یک لایه دیگر برداشته شود جهش بزرگ اتفاق میافتد. اگر زیرلایه عوض شود جهش کوچک خواهیم داشت. به عنوان مثال در فسفر ۱۵ را با توجه به آرایش الکترونی آن داریم.
P: ۱s ۲، ۲ s ۲، ۲ p ۶، ۳ s ۲، ۳ p ۳
پس:
با توجه به آرایش الکترونی از IE ۵ به IE ۶ جهش بزرگ داریم، چون لایه الکترونی از n = ۳ به n = ۲ تغییر مییابد. یک جهش بزرگ دیگر در مقدار IE ۱۳ به IE ۱۴ به دلیل تغییر لایه از n = ۲ به n = ۱ خواهیم داشت. در فسفر دو جهش کوچک نیز از IE ۳ به IE ۴ و از IE ۱۱ به IE ۱۲ داریم. این جهشهای کوچک به ترتیب به خاطر تغییر زیرلایهها از ۳ p به ۳ s و از ۲ p به ۲ s است.
نکته:
تشخیص جهشهای بزرگ بسیار راحتتر از جهشهای کوچک است. چون تغییرات انرژی در جهشهای بزرگ خیلی بزرگ و گاهی چهار تا پنج برابر، ولی در جهشهای کوچک کمتر از دو برابر است.
۷- انرژی یونش در مولکولها:
همان گونه که برای اتمها این انرژی تعریف میشود میتوانیم برای مولکولها نیز انرژی یونش را به صورت میزان انرژی لازم برای جدا کردن الکترون از مولکول در فاز گازی را تعریف کنیم. برای مولکول اکسیژن داریم:
O ۲ (g) → O ۲+ (g) + e
جهان شیمی