Energia di ionizzazione: potenziale, metodi per la sua determinazione

L' energia di ionizzazione si riferisce alla quantità minima di energia, solitamente espressa in unità di kilojoule per mole (kJ / mol), che è richiesta per produrre il distacco di un elettrone situato in un atomo in fase gassosa che è nel suo stato fondamentale.

Lo stato gassoso si riferisce allo stato in cui è libero dall'influenza che altri atomi possono esercitare su se stessi, proprio come qualsiasi interazione intermolecolare viene scartata. L'entità dell'energia di ionizzazione è un parametro per descrivere la forza con cui un elettrone è collegato all'atomo di cui fa parte.

In altre parole, maggiore è la quantità di energia di ionizzazione necessaria, più complicato sarà il distacco dell'elettrone in questione.

Potenziale di ionizzazione

Il potenziale di ionizzazione di un atomo o di una molecola è definito come la quantità minima di energia che deve essere applicata per provocare il distacco di un elettrone dallo strato più esterno dell'atomo nel suo stato fondamentale e con una carica neutra; cioè l'energia di ionizzazione.

Va notato che quando si parla del potenziale di ionizzazione, viene utilizzato un termine che è caduto in disuso. Questo perché in precedenza la determinazione di questa proprietà era basata sull'uso di un potenziale elettrostatico sul campione di interesse.

Usando questo potenziale elettrostatico, si sono verificate due cose: la ionizzazione della specie chimica e l'accelerazione del processo di distacco dell'elettrone che si desiderava rimuovere.

Quindi, quando si inizia a utilizzare le tecniche spettroscopiche per la sua determinazione, il termine "potenziale di ionizzazione" è stato sostituito da "energia di ionizzazione".

Inoltre, è noto che le proprietà chimiche degli atomi sono determinate dalla configurazione degli elettroni presenti al massimo livello di energia esterna in questi atomi. Quindi, l'energia di ionizzazione di queste specie è direttamente correlata alla stabilità dei loro elettroni di valenza.

Metodi per determinare l'energia di ionizzazione

Come accennato in precedenza, i metodi per determinare l'energia di ionizzazione sono principalmente dati dai processi di fotoemissione, che si basano sulla determinazione dell'energia emessa dagli elettroni come conseguenza dell'applicazione dell'effetto fotoelettrico.

Sebbene si possa affermare che la spettroscopia atomica è il metodo più immediato per la determinazione dell'energia di ionizzazione di un campione, abbiamo anche la spettroscopia fotoelettronica, in cui vengono misurate le energie con cui gli elettroni sono collegati agli atomi.

In questo senso, la spettroscopia di fotoelettroni ultravioletti (anche conosciuta come UPS per il suo acronimo in inglese) è una tecnica che utilizza l'eccitazione di atomi o molecole attraverso l'applicazione della radiazione ultravioletta.

Questo viene fatto per analizzare le transizioni energetiche degli elettroni più esterni nelle specie chimiche studiate e le caratteristiche dei legami che formano.

Sono anche note la spettroscopia di fotoelettroni a raggi X e la radiazione ultravioletta estrema, che usano lo stesso principio sopra descritto con differenze nel tipo di radiazione che viene investita sul campione, la velocità con cui gli elettroni vengono espulsi e la risoluzione ottenuto.

Prima energia di ionizzazione

Nel caso degli atomi che hanno più di un elettrone al loro livello più esterno - cioè i cosiddetti atomi polielettronici - il valore dell'energia necessaria per avviare il primo elettrone dell'atomo che si trova nel suo stato fondamentale è dato dal seguente equazione:

Energia + A (g) → A + (g) + e-

"A" simboleggia un atomo di qualsiasi elemento e l'elettrone staccato è rappresentato come "e-". Ciò si traduce nella prima energia di ionizzazione, denominata "I ₁ ".

Come si può vedere, viene eseguita una reazione endotermica, poiché l'atomo viene alimentato con energia per ottenere un elettrone aggiunto al catione di quell'elemento.

Allo stesso modo, il valore della prima energia di ionizzazione degli elementi presenti nello stesso periodo aumenta proporzionalmente all'aumento del loro numero atomico.

Ciò significa che diminuisce da destra a sinistra in un periodo e dall'alto verso il basso nello stesso gruppo della tavola periodica.

In questo senso, i gas nobili hanno elevate grandezze nelle loro energie di ionizzazione, mentre gli elementi appartenenti ai metalli alcalini e alcalino-terrosi hanno valori bassi di questa energia.

Seconda energia di ionizzazione

Allo stesso modo, quando si avvia un secondo elettrone dallo stesso atomo, si ottiene la seconda energia di ionizzazione, simboleggiata come "I ₂ ".

Energia + A + (g) → A2 + (g) + e-

Lo stesso schema viene seguito per le altre energie di ionizzazione quando si avviano i seguenti elettroni, sapendo che, in seguito al distacco dell'elettrone da un atomo nel suo stato fondamentale, l'effetto repulsivo tra gli elettroni rimanenti diminuisce.

Poiché la proprietà chiamata "carica nucleare" rimane costante, è necessaria una maggiore quantità di energia per avviare un altro elettrone della specie ionica che ha la carica positiva. Quindi le energie di ionizzazione aumentano, come visto di seguito:

I ₁ <I ₂ <I ₃ <... <I _n

Infine, oltre all'effetto della carica nucleare, le energie di ionizzazione sono influenzate dalla configurazione elettronica (numero di elettroni nel guscio di valenza, tipo di orbitale occupato, ecc.) E dalla carica nucleare effettiva dell'elettrone da staccare.

A causa di questo fenomeno, la maggior parte delle molecole di natura organica ha alti valori di energia di ionizzazione.