Энергия ионизации и сродство к электрону - что эта такое: определение, особенности и формулы

Энергия ионизации и сродство к электрону - важнейшие характеристики атомов, позволяющие предсказывать и объяснять свойства химических элементов и их соединений. Давайте разберемся, что они из себя представляют, как вычисляются и как влияют на периодическую систему Д.И. Менделеева.

Энергия ионизации - основные определения

Формально энергия ионизации - это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона с внешнего энергетического уровня атома в газообразном состоянии с образованием однозарядного положительного иона.

Э_иониз = E_катион + E_{электрон} − E_атом

Физически энергия ионизации характеризует прочность связи валентных электронов с ядром. Чем выше эта энергия, тем сложнее удалить электрон и тем меньше выражены металлические свойства.

Единицы измерения энергии ионизации:

• электронвольт (эВ);
• килоджоуль на моль (кДж/моль).

Для атома водорода энергия ионизации составляет 1312 кДж/моль или 13,6 эВ.

Факторы, влияющие на энергию ионизации атомов

На величину энергии ионизации атомов влияет целый ряд факторов:

1. Заряд ядра и количество электронных слоев.
2. Радиус атома.
3. Электроотрицательность.
4. Положение элемента в периодической системе.

Самым важным является заряд ядра и число электронных слоев. Увеличение числа промежуточных электронных слоев приводит к экранированию ядра и ослаблению связи внешних электронов.

Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо, а в группах периодической системы - убывает сверху вниз.

Таким образом, зная положение элемента в периодической таблице, можно качественно оценить величину энергии ионизации его атома.

Изменение энергии ионизации в периодах и группах

Рассмотрим более детально закономерности изменения энергии ионизации в периодической системе Д.И. Менделеева. В пределах малых периодов от щелочных металлов к благородным газам наблюдается возрастание энергии ионизации, связанное с уменьшением радиусов атомов и увеличением электроотрицательности.

В главных и побочных подгруппах периодической системы элементов энергия ионизации уменьшается с увеличением порядкового номера элемента, то есть при движении сверху вниз.

Это объясняется возрастанием радиусов атомов и ослаблением связи электронов с ядром.

Отклонения от этих общих правил наблюдаются у некоторых побочных подгрупп и связаны с дополнительным экранированием электронов внутренними электронными оболочками.

Таким образом, энергия ионизации позволяет установить важнейшие закономерности в изменении свойств атомов химических элементов.

Сродство к электрону это важная характеристика

Сродство к электрону - это энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральному атому с образованием отрицательного иона.

E_{сродство} = E_атом − E_анион

В отличие от энергии ионизации, которая всегда положительна, сродство к электрону может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Чем выше сродство к электрону, тем больше выражены окислительные свойства элемента. Для фтора это значение составляет +3,52 эВ.

У металлов сродство к электрону чаще всего отрицательно, что говорит об их восстановительных свойствах.

Факторы, влияющие на сродство к электрону

На величину сродства к электрону влияют следующие факторы:

• Электронная конфигурация атома;
• Электроотрицательность;
• Положение в периодической системе Д.И. Менделеева.

Наиболее существенным фактором является электронная конфигурация. У атомов с незаполненными электронными оболочками сродство к электрону выше.

Также на величину сродства к электрону влияет электроотрицательность. Чем она выше, тем выше сродство к электрону.

Как изменяется сродство к электрону по периодам и группам

В пределах малых периодов периодической системы сродство к электрону изменяется следующим образом: от щелочных металлов к галогенам наблюдается возрастание этого показателя, связанное с ослаблением металлических и усилением неметаллических свойств.

В группах периодической системы сродство к электрону уменьшается при переходе от легких элементов к тяжелым. Это связано с увеличением радиусов атомов и ослаблением связи валентных электронов с ядром.

Практическое использование сродства к электрону

Знание величины сродства к электрону позволяет:

• Оценить окислительно-восстановительные свойства веществ;
• Объяснить реакционную способность элементов;
• Спрогнозировать возможность образования соединений с отрицательной степенью окисления.

Например, высоким сродством к электрону обладает фтор, что объясняет его окислительные свойства.

Связь энергии ионизации и сродства к электрону

Между энергией ионизации и сродством к электрону существует определенная взаимосвязь. С увеличением энергии ионизации обычно возрастает и сродство к электрону.

Однако эти величины характеризуют разные стороны свойств атомов - энергия ионизации отражает прочность связи внешних электронов с ядром, а сродство к электрону - способность атома присоединять дополнительные электроны.

Энергия ионизации и химическая связь

Величина энергии ионизации атомов оказывает влияние на тип химической связи в соединениях. Чем выше энергия ионизации, тем прочнее и более локализована связь.

Элементы с высоким значением энергии ионизации, например кислород и фтор, образуют в основном ковалентную полярную связь. Элементы же с низкой энергией ионизации, такие как щелочные и щелочноземельные металлы, склонны к образованию ионной связи.

Энергия ионизации и степени окисления

Чем выше энергия ионизации атома, тем сложнее ему отдать электроны и образовать положительно заряженный ион.

Поэтому элементы с высокой энергией ионизации в соединениях проявляют преимущественно отрицательные степени окисления, а элементы с низкой энергией ионизации - положительные.

Влияние сродства к электрону на кислотно-основные свойства

Величина сродства к электрону оказывает влияние на кислотно-основные свойства образуемых элементом соединений.

Чем выше сродство к электрону, тем сильнее выражены кислотные свойства оксидов и гидроксидов элемента и тем сильнее он проявляет окислительные свойства.

Прогнозирование свойств элементов на основе энергии ионизации и сродства к электрону

Зная величины энергии ионизации и сродства к электрону, можно прогнозировать и объяснять такие свойства элементов, как:

• Тип химической связи в соединениях;
• Степени окисления;
• Кислотно-основный характер соединений;
• Окислительно-восстановительная активность.

Таким образом, эти показатели очень важны для понимания и предсказания химических свойств элементов.

Анализ типа химической связи по значениям энергии ионизации

Рассмотрим на конкретном примере, как значения энергии ионизации атомов позволяют предсказать тип химической связи в соединении. В соединении натрия и хлора энергия ионизации атома натрия равна 5,14 эВ, а атома хлора - 12,97 эВ. Так как у натрия этот показатель значительно ниже, чем у хлора, можно с уверенностью предсказать образование ионной связи с переносом электрона от натрия к хлору. Таким образом, анализ энергий ионизации позволяет прогнозировать ионный характер связи в хлориде натрия.

Сродство к электрону в технологии полупроводников

В технологии полупроводников сродство к электрону определяют как разность энергий между нижним краем зоны проводимости и вакуумным уровнем. Чем выше это значение, тем легче электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости и тем выше электропроводность полупроводника.

Таким образом, сродство к электрону важно учитывать при выборе материала для изготовления полупроводниковых приборов.

Практические рекомендации

Для практического использования данных об энергии ионизации и сродстве к электрону можно дать следующие рекомендации:

• При выборе окислителя обращать внимание на величину сродства к электрону;
• Для прогнозирования химической активности анализировать оба показателя;
• Для объяснения кислотно-основных свойств учитывать сродство к электрону.