To ciekawe

Atom - wydawałoby się, że jest taki prosty. Tymczasem jest on złożoną strukturą, zawierającą wzajemnie na siebie oddziałujące protony, neutrony i elektrony. W uproszczeniu możemy powiedzieć, że elektrony krążą wokół jądra utrzymywane siłami elektrycznymi. O ile jądro atomowe jest zazwyczaj bardzo stabilne, o tyle dość łatwo jest oderwać od atomu elektron i doprowadzić do jonizacji.

W tym e‑materiale zastanowimy się wspólnie nad zagadnieniami dotyczącymi energii jonizacji – jak duża energia niezbędna jest, by oderwać elektron? Czy jest ona taka sama dla wszystkich elektronów? Czy wartości energii jonizacji można wyjaśnić tylko oddziaływaniem elektrycznym między jądrem i elektronami?

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 jądrowychoddziaływanie silnesilnych 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 elektrycznychoddziaływanie elektrostatycznesił 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 j_j. 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.

RzMGiTiY6beQJ

Rys. 1. Rysunek przedstawia schematycznie atom berylu. Rysunek nie zachowuje rzeczywistych proporcji pomiędzy promieniem jądra atomowego a promieniem całego atomu. Pokazuje cząstki elementarne, z których jest zbudowany. W części centralnej są zlepione ze sobą cztery protony i pięć neutronów. Wokół narysowane są dwie współśrodkowe orbity elektronowe w postaci okręgów. Na pierwszej orbicie narysowano dwa elektrony i na drugiej kolejne dwa. Elektrony, protony i neutrony przedstawiono w postaci kulek opisanych wielkimi literami odpowiednio: E, P i N. Rysunek należy traktować jako schemat, a nie odzwierciedlenie obrazu fizycznego.

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:

R1DZzvCyclCwo

Rys. 2. Rysunek ten jest powtórzeniem rysunku pierwszego – przedstawia schematycznie atom berylu. Rysunek nie zachowuje rzeczywistych proporcji pomiędzy promieniem jądra atomowego a promieniem całego atomu. Pokazuje cząstki elementarne, z których jest zbudowany. W części centralnej zlepione są ze sobą cztery protony i pięć neutronów. Wokół narysowane są dwie współśrodkowe orbity elektronowe w postaci okręgów. Na pierwszej orbicie narysowano dwa elektrony, na drugiej orbicie elektronowej jeden, a nie dwa elektrony. Atom jest jednokrotnie zjonizowanym kationem berylu, co oznacza się wielką literą B i małą literą e z indeksem górnym plus.

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:

R102Vn1AbdUnV

Rys. 3. Rysunek ten również jest powtórzeniem rysunku pierwszego – przedstawia schematycznie atom berylu. Rysunek nie zachowuje rzeczywistych proporcji pomiędzy promieniem jądra atomowego a promieniem całego atomu. Pokazuje cząstki elementarne, z których jest zbudowany. W części centralnej są zlepione ze sobą cztery protony i pięć neutronów. Wokół narysowana jest jedna współśrodkowa orbita elektronowa w postaci okręgu. Nie ma drugiej orbity i dwóch elektronów na niej. Ma tylko dwa na pierwszej, najbliższej od jądra. Tak można przedstawić dwukrotnie zjonizowany atom berylu. Kation ten oznacza się wielką literą B i małą literą e z indeksem górnym 2 plus.

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.

R7f4tZ5CuehHz

Rys. 4. Rysunek ten jest ponownie powtórzeniem rysunku pierwszego – przedstawia schematycznie atom berylu. Rysunek nie zachowuje rzeczywistych proporcji pomiędzy promieniem jądra atomowego a promieniem całego atomu. Pokazuje cząstki elementarne, z których jest zbudowany. W części centralnej są zlepione ze sobą cztery protony i pięć neutronów. Wokół narysowano jedną współśrodkową orbitę elektronową w postaci okręgu. Na orbicie pozostał tylko jeden elektron, trzy zostały oderwane. Tak wyobrażamy sobie trzykrotnie zjonizowany atom berylu. Oznaczamy go wielką literą B i małą literą e z indeksem górnym 3 plus.

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.

RL0LnGWaqHOOX

Rys. 5. Przedstawiono wykres zależności pierwszej energii jonizacji od liczby atomowej Z. Na osi pionowej odłożona jest energia jonizacji w elektronowoltach w zakresie od zera do 50 oznaczone małą literą e i wielką literą V. Na osi poziomej liczba atomowa opisana wielką literą Z w zakresie od zera do 110. Pierwiastki zaznaczone są w postaci kropek. Kropki są pokolorowane i tworzą grupy. Pokazana zależność nie jest opisana żadną funkcją matematyczną. Widać na wykresie, że pierwiastki układają się w grupy. W obrębie grupy energia rośnie od wartości minimalnej do maksymalnej, a potem spada i zaczyna się nowa grupa. Na początku i na końcu grupy zaznaczone są nazwy pierwiastków w postaci ich symboli chemicznych. Są to: He, Li, Ne, Na, Ar, K, Kr, Rb, Xe, Cs, Hg, Rn, Fr, Hs. Te grupy to: metale alkaliczne, metale ziem alkalicznych, metale przejściowe, metale grup głównych, lantanowce, aktynowce, metalloidy, niemetale wieloatomowe., niemetale dwuatomowe, gazy szlachetne.

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, elektrony walencyjnepowłoka walencyjna w tych atomach jest całkowicie wypełniona.

Słowniczek