Năng lượng ion hóa | Khái niệm hoá học

1. Khái niệm

Năng lượng Ion hóa I là năng lượng cần tiêu tốn để tách một electron ra khỏi nguyên tử ở thể khí không bị kích thích

X _(k) + I$\to$ X⁺_(k) + e

Như vậy, năng lượng năng lượng ion hóa là đại lượng đặc trưng cho khả năng nhường electron của nguyên tử, nghĩa là đặc trưng cho tính kim loại của nguyên tố. I càng nhỏ nguyên tử càng dễ nhường electron, do đó tính kim loại và tính khử của nguyên tố càng mạnh. 

Năng lượng ion hóa thường được biểu diễn bằng kJ/ntg hay eV/nt. Khi biểu diễn bằng eV thì năng lượng ion hóa có trị số bằng thế ion hóa tính theo V

Năng lượng ion hóa được xác định dựa trên các dữ kiện thực nghiệm quang phổ.

Năng lượng ion hóa của nguyên tử phụ thuộc vào điện tích hạt nhân, số lượng tử chính n, tác dụng chắn hạt nhân của các electron bên ngoài. Khi điện tích hạt nhân và khả năng xâm nhập của electron bên ngoài tăng thì năng lượng ion hóa tăng. Ngược lại, khi số lượng tử chính và tác dụng chắn của các lớp electron bên trong tăng thì năng lượng ion hóa lại giảm. Như vậy, năng lượng ion hóa cũng phụ thuộc vào cấu trúc electron nguyên tử.

2. Sự biến đổi năng lượng ion hóa 

Đối với nguyên tử nhiều electron chúng ta sẽ có nhiều giá trị năng lượng ion hóa ứng với quá trình bứt electron thứ nhất (I₁), thứ hai (I₂), thứ ba (I₃).... trong đó I₁ < I₂ < I₃... Vì bây giờ việc bứt electron thứ hai, thứ ba... không phải ra khỏi nguyên tử mà là ra khỏi ion dương có điện tích +1, +2... do đó đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng lớn hơn.

Đặc trưng thay đổi tuần hoàn năng lượng ion hóa của các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn được thể hiện rõ trên đường cong biểu diễn sự phuộc của năng lượng tách electron thứ nhất ra khỏi nguyên tử (I₁) vào điện tích hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố. Chúng ta thấy, năng lượng ion hóa của các nguyên tố nói chung tăng dần từ đầu đến cuối chu kì, trong đó các nguyên tố s nhóm I có I1 nhỏ nhất, còn các nguyên tố p nhóm VIII có I₁ lớn nhất.

Tuy nhiên, trên các đoạn đường cong ứng với sự tăng năng lượng ion hóa nói trên chúng ta thấy có những cực đại và cực tiểu nhỏ. Chẳng hạn đối với các chu kì II, III, IV những cực trị này xuất hiện ở các cặp nguyên tố: Be - B; N - O; Mg - Al; P-S; Zn - Ga, As - Se...

Nguyên tố Na đầu chu kì có I₁ nhỏ nhất. Nguyên tố Mg tiếp theo có I₁ lớn hơn là do sự tăng điện tích hạt nhân gây nên. Nhưng sự tăng tiếp tục điện tích hạt nhân ở nguyên tố sau Mg và Al không làm tăng I₁ của nó. Sỡ dĩ như vậy là vì khi so sánh cấu tạo nguyên tử của các nguyên tố Mg và Al chúng ta thấy 2 electron phân lớp ngoài cùng (3s) của Mg có khả năng xâm nhập vào vùng gần hạt nhân sâu hơn electron phân lớp ngoài cùng 3p của Al nên chúng bị hạt nhân hút mạnh hơn electron này.

Mặt khác, do xâm nhập sâu hơn nên các electron 3s có tác dụng chắn hạt nhân nguyên tử đối với electron 3p. Như vậy, electron 3p của Al vừa ở xa hạt nhân hơn lại vừa bị chắn với hạt nhân mạnh hơn so với các electron 3s của Mg, do đó liên kết với hạt nhân nguyên tử kém bền hơn, đưa đến nguyên tố Al có I₁ nhỏ hơn so với nguyên tố Mg. 

Đối với hai nguyên tố tiếp theo Al là Si và P năng lượng ion hóa lại tiếp tục tăng lên. Nguyên nhân của nó cũng là sự tăng điện tích hạt nhân. Nhưng đến đây, khi chuyển sang nguyên tố S tiếp theo năng lượng ion hóa lại giảm xuống. Điều này có thể được giải thích như sau: trong khi cấu trúc bán bão hòa 3p³ của P củng cố thêm độ bền của cấu hình 3s² thì việc thêm một electron ghép đôi vào orbital 3p trong nguyên tử S lại dẫn đến giảm lực hút của hạt nhân do sự xuất hiện lực đẩy giữa hai electron có spin ngược nhau trên orbital 3p này.

Sau đó năng lượng ion hóa lại tiếp tục tăng lên đối với những nguyên tố còn lại của chu kì và đạt được giá trị cực đại ở nguyên tố cuối chu kì là Ar. Sự tăng I1 ở đây cũng do sự tăng điện tích hạt nhân gây nên. Cấu hình bão hòa s²p⁶ là cấu hình có tính đối xứng cao nhất và bền nhất, nên trong chu kì III Ar là nguyên tố có năng lượng ion hóa lớn nhất.

Sự thay đổi năng lượng ion hóa trong các phân nhóm chính (s và p) và phụ (d) xảy ra khác nhau. Trong các phân nhóm chính theo chiều tăng điện tích hạt nhân năng lượng ion hóa giảm, ngược lại trong phân nhóm phụ theo chiều này năng lượng ion hóa lại tăng. 

Sự giảm I₁ trong các phân nhóm chính là do theo chiều tăng điện tích hạt nhân, số lớp electron tăng lên, đồng thời hiệu ứng chắn của các electron bên trong cũng tăng lên, tất cả điều này đưa đến giảm lực hút giữa hạt nhân và những electron bên ngoài. Còn sự tăng I₁ trong phân nhóm phụ được giải thích bằng ưu thế của việc tăng điện tích hạt nhân và hiệu ứng xâm nhập của các electron s lớp ngoài cùng.