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.
Эиониз = Eкатион + Eэлектрон − Eатом
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:
- Заряд ядра и количество электронных слоев.
- Радиус атома.
- Электроотрицательность.
- 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.
Элемент | Li | Be | Энергия ионизации, эВ | 5.4 | 9.3 |
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.
Eсродство = Eатом − Eанион
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.