انرژی یونش (IE or Ionization Energy)

 به حداقل مقدار انرژی لازم برای كندن الكترون از یك اتم، مولکول یا یون در حالت گازی شكل انرژی یونش می گویند. بعنوان مثال انرژی یونش A، حداقل مقدار انرژی لازم برای انجام واکنش زیر است:

 

انرژی یونش معمولا با واحد الکترون ولت بازای هر اتم، مولکول یا یون یا واحد کیلوژول بر مول گزارش می شود.

برای هرگونه بتعداد الکترونهایش می توان انرژی یونش تعریف کرد. انرژی های یونش یک گونه بصورت انرژی یونش اول یا نخستین انرژی یونش (IE1)،انرژی یونش دوم یا دومین انرژی یونش (IE2)،انرژی یونش سوم یا سومین انرژی یونش (IE3) و ... مشخص می شوند که در آنها اولین، دومین، سومین و ... بیانگر مرتبه یونش است و شماره الکترونی که کنده می شود، را نشان می دهد. در هر یونش الكترون با بیشترین سطح انرژی كنده می شود یا بعبارتی اولویت با ناپایدارترین است. بعنوان مثال داریم:

 

.                                      

.                

.                           

.                 

.                           

.                

 

مثال: سیزدهمین انرژی یونش گوگرد (16S) مربوط به کدام واکنش است؟ آرایش الکترونی گونه های دخیل را بنویسید.

حل:

مربوط به واکنش زیر است:

که در آن آرایش الکترونی  و  بترتیب بصورت 1s22s2 و 1s22s1 است.

*****

 

تغییرات انرژی های یونش متوالی یك عنصر

انرژی های یونش متوالی یك عنصر با افزایش مرتبه یونش، افزایش می یابد. با افزایش مرتبه یونش، جداكردن الكترون به علت افزایش بار مثبت یونی كه الكترون از آن جدا می شود و در نتیجه افزایش جاذبه ها و كاهش دافعه ها، سخت تر می شود و انرژی مورد نیاز افزایش می یابد. در تغییرات انرژی های یونش متوالی یك عنصر دو نوع جهش ( افزایش ناگهانی یا شدیدتر در مقایسه با روند افزایشی کلی معمول) مشاهده می شود: جهش های كوچك به خاطر معمولا تغییر زیر لایه ها و بهم خوردن آرایش نیمه پر ( که اولی معمولا اهمیت بیشتری دارد) و جهش های بزرگ به خاطر تغییر لایه ها. جهش های كوچك و بزرگ منعكس كننده ی وجود زیرلایه ها و لایه ها هستند.

بعنوان مثال جدول و نمودار انرژی های یونش متوالی عنصر فسفر را که در ادامه آمده است، در نظر بگیرید. آرایش الکترونی فسفر به صورت 1s22s22p63s23p3 و از IE1 تا IE15 بترتیب زیرلایه های 2s,2p,3s,3p و درنهایت 1s الکترون از دست می دهند.

 

1011.8

IE1

1907

IE2

2914.1

IE3

4963.6

IE4

6273.9

IE5

21267

IE6

25431

IE7

29872

IE8

35905

IE9

40950

IE10

46261

IE11

54110

IE12

59024

IE13

271790

IE14

296194

IE15

جدول انرژیهای یونش متوالی فسفر بر حسب کیلوژول بر مول

 

نمودار انرژیهای یونش متوالی فسفر بر حسب کیلوژول بر مول

 

با توجه به اعداد جدول و همچنین از روی نمودار می توان دید که از IE5 به IE6 بعلت تغییر لایه اصلی از n=3 به n=2 و از IE13 به IE14 بعلت تغییر لایه اصلی از n=2 به n=1 جهش بزرگ داریم. از طرفی با توجه به اعداد جدول از IE3 به IE4 بعلت تغییر زیرلایه از 3p به 3s و از IE11 به IE12 بعلت تغییر زیرلایه از 2p به 2s جهش کوچک داریم که در نمودارهای زیر بطور محسوس تری قابل مشاهده هستند. همچنین از IE8 به IE9 بعلت بهم خوردن آرایش نیمه پر جهش ریزی مشاهده می شود.

 

نمودار انرژیهای یونش IE1 تا IE5 فسفر بر حسب کیلوژول بر مول

 

نمودار انرژیهای یونش IE6 تا IE13 فسفر بر حسب کیلوژول بر مول

 

نکته دیگری که در مورد انرژیهای یونش متوالی می توان در نظر گرفت اینست که در صورت عدم وجود جهش، نسبت انرژی یونش nام به انرژی یونش ماقبل () باافزایش n کاهش می یابد. این مطلب از آنجا ناشی می شود که در یونش nام الکترون از یون با بار +(n-1) کنده می شود و در واقع از یون با بار +n دور می شود که هرچه n بزرگتر باشد، دورکردن الکترون و انرژی یونش مورد نیاز بیشتر می شود. از آنجائیکه با افزایش n، از یک یونش به یونش بعدی مقدار افزایش نسبی بار یون یا نسبت بار یونهایی که الکترون از آنها دور می شود ( یعنی )، کاهش می یابد، نسبت انرژی یونش بعدی به ماقبل هم کمتر می شود. در این راستا بیشترین افزایش نسبی بار یون از یک یونش به یونش بعدی در یونش اول به دوم صورت می گیرد و از این رو در صورت عدم وجود جهش، بیشترین نسبت دو انرژی یونش متوالی برای انرژی یونش دوم به اول مشاهده می شود. بعنوان مثال نسبت  برای اتم فسفر که در هر دوی آنها الکترون از زیرلایه 3p کنده می شود، برابر 1.88 است، در حالیکه نسبت  برای اتم فسفر که در هر دوی آنها الکترون از زیرلایه 1s کنده می شود، برابر 1.09 است. بعنوان مثال دیگر نسبت انرژی لازم برای کندن دو الکترون زیرلایه 1s در اتم فلوئور که نسبت  است، برابر 1.16 می باشد، در حالیکه در اتم مس که نسبت  است، برابر 1.05 می باشد.

همانطور که مثال انرژیهای یونش متوالی اتم فسفر نیز نمایش می دهد، تشخیص جهش های بزرگ به مراتب ساده تر از تشخیص جهش های کوچک است. در جهشهای بزرگ تغییرات انرژی یونش بسیار قابل توجه است ( گاهی اوقات حتی چهار تا پنج برابر می شود)، در حالیکه در حالت عادی ( بدون جهش بزرگ حتی با وجود جهش کوچک) IEn بیشتر از IEn-1  اما معمولا کمتر از دو برابر IEn-1 است. از تعداد و محل رخداد جهش های بزرگ می توان برای تشخیص موقعیت عنصر در جدول تناوبی و شناسایی عنصر استفاده کرد. بطور کلی برای عناصر اصلی اگر در كل n جهش بزرگ داشته باشیم، عنصرمتعلق به دوره (n+1) در جدول تناوبی است و اگر اولین جهش بزرگ از IEm به IEm+1 باشد، عنصرمتعلق به گروه mA است.

مثال : در كل انرژی های یونش متوالی یك عنصر ، دو جهش بزرگ مشاهده می شود و اولین جهش بزرگ آن از انرژی یونش دوم به سوم رخ می دهد. این عنصر را با نام و نماد مشخص كرده و آرایش الكترونی آن را بنویسید.

حل:

با توجه به مطالب بحث شده بایستی متعلق به گروه دوم تناوب سوم جدول تناوبی باشد و بنابراین منیزیم است که برای نماد و آرایش الكترونی آن داریم:

 

*****

مثال: نه انرژی یونش اول سه عنصر از عناصر اصلی به صورت زیر است، شماره گروه هر عنصر را تعیین كنید.

 

 

IE9

IE8

IE7

IE6

IE5

IE4

IE3

IE2

IE1

الف)

25437

21997

4271

3623

2633

2009

1446

805

401

ب)

6913

6092

4808

3969

3192

2281

1651

1091

118

ج)

7614

6558

5567

4391

3544

2765

655

434

136

حل:

الف) گروه هفت اصلی (VIIA)

ب) گروه یک اصلی (IA)

ج) گروه سه اصلی (IIIA)

*****

لازم بذکر است که بعلت نزدیکی سطح انرژی اوربیتالهای ns، (n-1)d و (n-2)f، موقع تغییر لایه اصلی بین ns، (n-1)d و (n-2)f جهش چندان بزرگی مشاهده نمی شود. بعنوان مثال جدول بعدی نسبت انرژی لازم برای کندن اولین الکترون زیرلایه 3d به انرژی لازم برای کندن آخرین الکترون زیرلایه 4s را برای چند عنصر نشان می دهد. دقت داشته باشید که در عناصر سری عناصر واسطه مربوط به دوره چهارم (اسکاندیم تا روی) با وجود خیلی نزدیک بودن سطح انرژی اوربیتالهای 4s و 3d، نسبت انرژی یونش 3d به 4s بعلت نسبتا کم بودن n در  با توجه به بحث های قبلی نسبتا بالاست. از طرفی در عناصر با اعداد اتمی بالاتر مثل مولیبدن (42Mo) با وجود نسبتا بالا بودن n در  ، نسبت انرژی یونش 3d به 4s همچنان بالاست که بعلت افزایش اختلاف سطح انرژی اوربیتالهای 4s و 3d است که آنهم از کاهش سریعتر سطح انرژی اوربیتالهای 3d با افزایش عدد اتمی بعلت عدد کوانتومی اصلی کمتر ناشی می شود.      

 

عنصر

انرژی یونش آخرین الکترون 4s ( بر حسب kJ/mol)

انرژی یونش اولین الکترون 3d ( بر حسب kJ/mol)

نسبت انرژی یونش 3d به 4s

21Sc

IE2=1235

IE3=2388.6

1.93

22Ti

IE2=1309.8

IE3=2652.5

2.03

23V

IE2=1414

IE3=2830

2.00

24Cr

IE1=652.9

IE2=1590.6

2.44

25Mn

IE2=1509

IE3=3248

2.15

26Fe

IE2=1561.9

IE3=2957

1.89

27Co

IE2=1648

IE3=3232

1.96

28Ni

IE2=1753

IE3=3395

1.94

29Cu

IE1=745.5

IE2=1957.9

2.63

30Zn

IE2=1733.3

IE3=3833

2.21

31Ga

IE3=2963

IE4=6180

2.09

36Kr

IE8=12138

IE9=22274

1.84

37Rb

IE9=14500

IE10=26740

1.84

39Y

IE11=19900

IE12=36090

1.81

42Mo

IE14=29196

IE15=52490

1.80

 

از آنجائیکه در ابتدا اختلاف سطح انرژی nd و np زیاد است، موقع تغییر زیر لایه از nd به np یک جهش قویتر ( در حد یک جهش بزرگ) از جهش های کوچک معمولی ( مثلا بخاطر تغییر زیر لایه از np به ns) مشاهده می شود، اما با افزایش عدد اتمی بعلت کاهش اختلاف نسبی سطح انرژی nd و np ( و به مقدار کمتر افزایش n در ) این جهش ضعیف می شود و به یک جهش کوچک معمولی تبدیل می شود. بعنوان مثال جدول بعدی نسبت انرژی یونش 3p به 3d را برای چند عنصر نشان می دهد. 

 

عنصر

انرژی یونش آخرین الکترون 3d ( بر حسب kJ/mol)

انرژی یونش اولین الکترون 3p ( بر حسب kJ/mol)

نسبت انرژی یونش 3p به 3d

21Sc

IE3=2388.6

IE4=7090.6

2.97

22Ti

IE4=4174.6

IE5=9581

2.30

23V

IE5=6298.7

IE6=12363

1.96

24Cr

IE6=8744.9

IE7=15455

1.77

25Mn

IE7=11500

IE8=18770

1.63

26Fe

IE8=14580

IE9=22540

1.55

27Co

IE9=17959

IE10=26570

1.48

28Ni

IE10=21670

IE11=30970

1.43

29Cu

IE11=25600

IE12=35600

1.39

30Zn

IE12=29990

IE13=40490

1.35

36Kr

IE18=61800

IE19=75800

1.23

42Mo

IE24=104400

IE25=121900

1.17

 

تغییرات نخستین انرژی یونش در عناصر مختلف

در نخستین انرژی یونش عناصر یك دوره الكترون از لایه ی یكسانی كنده می شود اما از چپ به راست بعلت افزایش بار مؤثر هسته، جدا كردن الكترون سخت تر می شود و نخستین انرژی یونش افزایش می یابد. نمودار بعدی نخستین انرژی یونش عناصر تناوب دوم را نشان می دهد و می توان بوضوح دید که روند کلی افزایش نخستین انرژی یونش از لیتیم به نئون است.

 

نخستین انرژی یونش عناصر تناوب دوم

 

همانطور که در نمودار دیده می شود، روند کلی یاد شده (افزایش نخستین انرژی یونش از چپ به راست در یک دوره) از گروه دو اصلی به سه اصلی و از گروه پنج اصلی به شش اصلی در دوره دوم جدول تناوبی صادق نیست. برای توجیه آنها می توان به صورت در ادامه آمده استدلال کرد.

علیرغم اینكه بار مؤثر هسته در بور بیشتر از بریلیم است، نخستین انرژی یونش بریلیم بیشتر از بور است. در بریلیم الكترون اول از 2s كنده می شود، در حالیكه در بور از 2p كنده می شود. زیرلایه 2s از 2p پایدارتر است و افزایش بار موثر هسته از بریلیم به بور هم نمی تواند سطح انرژی زیرلایه 2p بور را کمتر از سطح انرژی زیرلایه 2s بریلیم قرار دهد. پس در بریلیم در مقایسه با بور الکترون اول از زیرلایه پایدارتری کنده می شود و از این رو نخستین انرژی یونش بریلیم بیشتر از بور است. در حالیکه افزایش بار موثر هسته از بریلیم به کربن می تواند سطح انرژی زیرلایه 2p کربن را کمتر از سطح انرژی زیرلایه 2s بریلیم قرار دهد و از این رو نخستین انرژی یونش کربن بیشتر از بریلیم است. شکل زیر این مطالب را نشان می دهد:

 

مقایسه سطح انرژی و پایداری 2s و 2p در اتم های Be، B و C، دقت داشته باشید که در هر مورد اوربیتالی که در یونش اول الکترون از دست می دهد، با دایره مشخص شده است.

 

لازم بذکر است که کاهش نخستین انرژی یونش از گروه دو اصلی به سه اصلی علاوه بر تناوب دوم، در تناوب های سوم ( از منیزیم به آلومینیوم) و چهارم ( از کلسیم به گالیم) نیز مشاهده می شود، اما در تناوب های پنجم ( از استرانسیم به ایندیم) و ششم ( از باریم به تالیم) بجای کاهش، مطابق روند کلی افزایش داریم که بیانگر اینست که در آنها اهمیت افزایش بار موثر هسته از اهمیت تغییر زیرلایه دهنده الکترون بیشتر است.

در مورد کاهش نخستین انرژی یونش از اتم نیتروژن به اتم اکسیژن می توان گفت که علیرغم بار مؤثر هسته بیشتر اتم اكسیژن نخستین انرژی یونش اتم نیتروژن به علت پایداری ناشی از آرایش نیمه پر بیشتر است. بعبارت دیگر موقع کندن اولین الکترون از اتم نیتروژن آرایش نیمه پر و پایداری ناشی از آرایش نیمه پر از دست می رود، در حالیکه موقع کندن اولین الکترون از اتم اکسیژن آرایش نیمه پر و پایداری ناشی از آرایش نیمه پر به دست می آید. پس پایداری ناشی از آرایش نیمه پر به نخستین انرژی یونش اتم نیتروژن می افزاید، در حالیکه از نخستین انرژی یونش اتم اکسیژن می کاهد و از این رو نخستین انرژی یونش اتم نیتروژن بیشتر از اتم اکسیژن می شود.

لازم بذکر است که کاهش نخستین انرژی یونش از گروه پنج اصلی به شش اصلی علاوه بر تناوب دوم، در تناوب های سوم ( از فسفر به گوگرد) و چهارم ( از آرسنیک به سلنیم) نیز مشاهده می شود، اما در تناوب های پنجم ( از آنتیموان به تلوریم) و ششم ( از بیسموت به پلونیم) بجای کاهش، مطابق روند کلی افزایش داریم که بیانگر اینست که در آنها اهمیت افزایش بار موثر هسته و افزایش پایداری ناشی از آن از اهمیت پایداری ناشی از آرایش نیمه پر بیشتر است. این مطلب از آنجا ناشی می شود که از بالا به پایین پایداری ناشی از آرایش نیمه پر بعلت افزایش فاصله الکترونهای واقع در اوربیتالهای همتراز با اسپین همسو از هم و در نتیجه کاهش جاذبه های مغناطیسی مربوطه، کاهش می یابد.

در یك گروه از جدول تناوبی از بالا به پایین تعداد لایه ها افزایش می یابد که معمولا همراه با افزایش فاصله الکترونهای خارجی از هسته نیز است. این افزایش فاصله از هسته از بالا به پایین در یك گروه معمولا مهمتر از افزایش بار مؤثر هسته است. از این رو معمولا جاذبه الكترون های خارجی با هسته از بالا به پایین در یك گروه كم می شود و نخستین انرژی یونش كاهش می یابد. بعنوان مثال نمودار بعدی نخستین انرژی یونش عناصر گروه هفت اصلی ( هالوژنها) را نمایش می دهد.

 

نمودار نخستین انرژی یونش هالوژنها

 

البته گاهی اوقات اهمیت افزایش بار موثر هسته بیشتر از اهمیت افزایش تعداد لایه هاست و انرژی نخستین یونش از عنصر بالاتر به عنصر همگروه پایین تر بجای کاهش، افزایش می یابد. در عناصر اصلی این مطلب برای از آلومینیوم به گالیم، از ایندیم به تالیم، از قلع به سرب، از سزیم به فرانسیم و از باریم به رادیم صادق است.

در نهایت می توان نخستین انرژی یونش تمام عناصر را بر حسب عدد اتمی آنها در یک نمودار نمایش داد و با هم مقایسه کرد که این امر در نمودار بعدی صورت گرفته است. همانطور که در نمودار نیز می توان دید، بطور معمول فلزات انرژی یونش کمی دارند، در حالیکه نافلزات انرژی یونش زیادی دارند.

 

نخستین انرژی یونش عناصر بر حسب عدد اتمی

 

برای مقایسه انرژی های یونش مرتبه بالاتر عناصر یا انرژی نخستین یونش كاتیون ها با بار دلخواه اما برابر می توان اتم های خنثی هم الكترون با یون هایی که قرار است در آن یونش الکترون از دست بدهند، را بدست آورد و برای این اتم های خنثی مقایسه ی نخستین انرژی های یونش را انجام داد و سپس همین مقایسه را به كاتیون ها با بار دلخواه یا انرژی های یونش مرتبه بالاتر تعمیم داد. مثال در ادامه آمده را در نظر بگیرید.

مثال: انرژی یونش سوم عناصر سدیم(11Na)، منیزیم (12Mg) و آلومینیوم (13Al) را با هم مقایسه کنید.

حل:

در یونش سوم سدیم، منیزیم و آلومینیوم از کاتیونهای Na2+، Mg2+ و Al3+ الکترون می کنیم که به ترتیب با 9F، 10Ne و 11Na هم الکترون هستند. از آنجائیکه ترتیب انرژی یونش اول فلوئور، نئون و سدیم بصورت Ne>F>Na است، ترتیب انرژی یونش اول Na2+، Mg2+ و Al3+  که همان ترتیب انرژی یونش سوم سدیم، منیزیم و آلومینیوم است، بصورت زیر خواهد بود:  

  

*****

بایستی توجه داشت که با افزایش مرتبه یونش استثناهای گروه پنج اصلی به شش اصلی و گروه دو اصلی به سه اصلی برای یونش اول، برای یونش های مرتبه بالاتر از بین می رود که این مطلب برای استثناهای گروه پنج اصلی به شش اصلی بعلت اهمیت کمتر پایداری نیمه پر در مقابل اختلاف پایداری زیرلایه ها زودتر رخ می دهد. بعنوان مثال در یونش دوم اکسیژن و فلوئور (که به ترتیب با نیتروژن و اکسیژن هم الکترون هستند)، یونش دوم اکسیژن (3388.3kJ/mol) از فلوئور (3374.2kJ/mol) بیشتر است، اما در یونش سوم فلوئور و نئون (که به ترتیب مجددا با نیتروژن و اکسیژن هم الکترون هستند)، یونش سوم نئون (6122kJ/mol) از فلوئور (6050.4kJ/mol) بیشتر است. بعنوان مثال دیگر در یونش دوم گوگرد و کلر (که به ترتیب با فسفر و گوگرد هم الکترون هستند)، یونش دوم کلر (2298kJ/mol) از گوگرد (2252kJ/mol) بعلت بار موثر هسته بیشتر در کلر بیشتر است، علیرغم آنکه در این یونش پایداری نیمه پر گوگرد از بین می رود. بعنوان مثال دیگر استثنای یونش اول از بریلیم (IE1=899.5) به بور (IE1=800.6)، در یونش دوم از بور (IE2=2427.1) به کربن (IE2=2352.6)، در یونش سوم از کربن (IE3=4620.5) به نیتروژن (IE3=4578.1) و در یونش چهارم از نیتروژن (IE4=7475) به اکسیژن (IE4=7469.2) مشاهده می شود، اما در یونش پنجم از اکسیژن (IE5=10989.5) به فلوئور (IE5=11022.7) و به بعد مشاهده نمی شود.

در نهایت خوب است بدانیم همانگونه که برای اتمها انرژی یونش در نظر می گیریم، می توانیم بطور مشابه برای مولکولها هم انرژی یونش در نظر بگیریم که مقدار انرژی لازم برای کندن الکترون از مولکول در فاز گاز خواهد بود. بعنوان مثال انرژی یونش مولکول O2 انرژی لازم برای انجام واکنش زیر است:

 

 

 

 

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||