Przeczytaj
Warto przeczytać
Jonizacja to zjawisko powstawania jonu – czyli cząstki o ładunku różnym od zera z cząstki obojętnej elektrycznie. Takimi cząstkami obojętnymi są np. atomy – składają się z jądra atomowego (zawierającego protony i neutrony) oraz z krążących wokół jądra elektronów. Atomy są obojętne elektrycznie, gdyż liczba protonów (o ładunku elementarnym dodatnim) jest równa liczbie elektronów (o ładunku elementarnym ujemnym). Ładunek elementarny ma wartość e = 1,6·10Indeks górny –19–19 C. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego.
Protony i neutrony w jądrze są związane za pomocą silnych oddziaływań jądrowychsilnych oddziaływań jądrowych, przewyższających elektryczne odpychanie między protonami. Nie jest zatem możliwe zjonizowanie atomu przez usunięcie protonu z jądra. Spójrzmy jednak na elektrony – utrzymywane są one wokół jądra za pomocą sił elektrycznychsił elektrycznych, a ich oderwanie jest łatwiejsze. Mówiąc o jonizacji atomu, będziemy zatem mieli zawsze na myśli usunięcie części elektronów. Atom staje się wtedy jonem naładowanym dodatnio (kationem).
Elektron krążący wokół atomu jest związany. Posiada on ujemną elektryczną energię potencjalną. Aby zatem oderwać elektron od atomu, musimy dostarczyć mu energię równą co najmniej energii wiązania elektronu z atomem. Energię tę nazywamy energią jonizacji EIndeks dolny jj. Pojedynczą reakcję jonizacji dla elektrycznie obojętnego atomu pierwiastka X można zapisać jako:
W przypadku, gdy odrywany jest pierwszy elektron, mówimy o pierwszej energii jonizacji.
Pierwsza energia jonizacji jest różna dla różnych atomów. Jest to związane z faktem, że atomy mają różną budowę. Jądra atomowe różnych pierwiastków zawierają różne liczby protonów i neutronów, a elektrony znajdują się w różnych odległościach od jądra.
Ponadto, możemy wyobrazić sobie, że energia jonizacji będzie zależała od tego, czy dany atom uległ wcześniej jonizacji, czy nie. Oznacza to, że druga, trzecia i kolejne energie jonizacji będą inne niż pierwsza. Jak to wyjaśnić? Rozpatrzmy to na przykładzie prostego atomu, np. berylu. Atom berylu zawiera w jądrze 4 protony i 5 neutronów oraz 4 elektrony krążące wokół jądra na dwóch powłokach. Dwa elektrony znajdują się bliżej jądra, pozostałe dwa – nieco dalej. Przedstawiliśmy to na Rys. 1.
W przypadku, gdy atom jest obojętny elektrycznie, na cztery elementarne ładunki dodatnie (4e) przypadają cztery elementarne ładunki ujemne (–4e). Oderwanie pierwszego elektronu od atomu berylu wymaga dostarczenia energii o wartości ok. 9,3 eV, a równanie jonizacji możemy zapisać następująco:
Gdy pierwszy elektron opuści atom, na ładunek 4e w jądrze przypada już tylko ładunek –3e pochodzący od elektronów (Rys. 2.). Taka sama ilość protonów oddziałuje z mniejszą ilością elektronów. Elektrony stają się zatem silniej związane z jądrem atomowym – wynika z tego, że druga energia jonizacji powinna być większa od pierwszej. Tak faktycznie jest – wartość drugiej energii jonizacji dla berylu wynosi ok. 18,2 eV, a więc prawie dwa razy więcej! Równanie jonizacji jest następujące:
Spróbujmy teraz oderwać kolejny elektron. Usunęliśmy już dwa elektrony znajdujące się na drugiej powłoce (Rys. 3.). Teraz musimy usunąć elektron znajdujący się na powłoce pierwszej. Trzecia energia jonizacji wynosi aż 153,9 eV, a więc ponad 16 razy więcej niż energia niezbędna do oderwania pierwszego elektronu! Ostatecznie, gdybyśmy chcieli oderwać czwarty, ostatni elektron (Rys. 4.), musielibyśmy dostarczyć mu energię wynoszącą 217,7 eV, czyli ponad 24 razy więcej niż w przypadku pierwszego elektronu.
Dlaczego energia jonizacji kolejnych elektronów wzrasta tak szybko? Rolę grają tutaj dwa czynniki. O pierwszym już wspomnieliśmy – ta sama ilość protonów przypada na coraz mniejszą liczbę elektronów, więc elektrony stają się silniej związane z jądrem. Drugim czynnikiem jest odległość – wiemy, że energia oddziaływania elektrycznego zależy od odległości między ładunkami. Im bliżej siebie są ładunki, tym większa jest ich energia oddziaływania. Elektrony na drugiej powłoce znajdują się dalej od jądra niż elektrony z pierwszej powłoki, więc energia ich jonizacji musi też być niższa.
Wyjaśnimy teraz dokładniej, dlaczego elektrony w zjonizowanym atomie silniej wiążą się z jądrem. W atomie istnieje dodatnie pole elektryczne pochodzące od jądra, na które nakładają się ujemne pola elektryczne pochodzące od elektronów. Oddziaływanie elektryczne między elektronem i jądrem jest przyciągające, a między elektronami – odpychające. Oddziaływanie przyciągające wiąże elektron z jądrem, oddziaływanie odpychające zmniejsza siłę tego wiązania. Energia jonizacji elektronu związana jest z wypadkowym oddziaływaniem, będącym sumą przyciągania i odpychania. Oddziaływania te nie znoszą się do zera, gdyż ładunki jądra i elektronów leżą w różnych miejscach.
Gdy dojdzie do jonizacji atomu, ilość elektronów maleje. Oddziaływanie przyciągające między elektronami i jądrem nie zmienia się, maleje za to oddziaływanie odpychające. Z tego powodu elektrony stają się silniej związane z jądrem, a kolejne energie jonizacji wzrastają.
Czy powyższe wyjaśnienie jest kompletne? Okazuje się, że nie do końca. Na jego podstawie możemy w przybliżony sposób próbować wyjaśnić wartości kolejnych energii aktywacji dla danego atomu. Za jego pomocą nie bylibyśmy jednak w stanie dobrze wyjaśnić wartości zmian pierwszej energii jonizacji dla różnych atomów. Spójrz na Rys. 5. Przedstawiono na nim zależność tej energii od liczby atomowej pierwiastka Z.
Część wartości przedstawionych na wykresie można wyjaśnić, wykorzystując tylko rozważania związane z polem elektrycznym. Np. przy przejściu z helu (He) do litu (Li) pierwsza energia jonizacji gwałtownie maleje, co ma związek z tym, że trzeci elektron w atomie litu musi znaleźć się na drugiej powłoce – w większej odległości od jądra. Spójrz jednak, co dzieje się dalej. Gdy przechodzimy od litu, do neonu (Ne), energia jonizacji wzrasta bardzo szybko wraz z liczbą atomową Z.
Opierając się tylko na wyjaśnieniu „elektrycznym” nie bylibyśmy w stanie uzasadnić tak szybkiego wzrostu. Wraz ze wzrostem liczby Z rośnie wprawdzie liczba protonów, a więc i wartość oddziaływania przyciągającego elektrony do jądra. Z drugiej strony wzrasta także liczba elektronów, a zatem i wzajemne odpychanie między nimi. Obydwa te efekty powinny się dość dobrze kompensować, co dawałoby względnie stałą energię jonizacji (obserwujemy to dla ciężkich atomów, np. gdy Z = 56–72).
Dlaczego zatem energia jonizacji zmienia się w tak nieoczekiwany sposób dla lżejszych atomów? Okazuje się, że oprócz odpychających oddziaływań elektrycznych, między elektronami istnieją także oddziaływania przyciągające. Mają one charakter kwantowy. Opis takich zjawisk daje nam gałąź fizyki współczesnej, zwana fizyką kwantową. Przyciągające oddziaływania kwantowe są szczególnie istotne dla atomów o małej liczbie Z, zawierających względnie mało elektronów. M.in. dzięki tym oddziaływaniom atomy tzw. gazów szlachetnych (ang. noble gases, błękitne punkty na wykresie) cechują się bardzo wysokimi energiami jonizacji w porównaniu ze swoimi sąsiadami. Ma to związek z faktem, że powłoka walencyjnapowłoka walencyjna w tych atomach jest całkowicie wypełniona.
Słowniczek
(ang.: valence shell, valence electrons) ostatnia powłoka elektronowa w atomie. Może być w całości wypełniona (co ma miejsce dla gazów szlachetnych), lecz nie musi (pozostałe pierwiastki).
(ang.: atomic number) liczba protonów w jądrze atomowym.
(ang. Coulomb interaction) zwane też kulombowskim, wzajemne oddziaływanie ciał, posiadających ładunek elektryczny. Jeśli ciała posiadają ładunek o tym samym znaku, czyli są jednoimienne, to ciała się odpychają, gdy zaś ich ładunki są różnoimienne, ciała się przyciągają.
(ang. strong interaction) – jedno z podstawowych oddziaływań, odpowiedzialne m. in. za wiązanie protonów i neutronów w jądra atomowe. Oddziaływanie charakteryzuje się bardzo krótkim zasięgiem, dlatego nie występuje pomiędzy różnymi atomami.