Ionizačná energia a elektrónová afinita (Periodická sústava prvkov)

úvod

Aby z atómu vznikol katión, musí prísť o elektrón. Zadarmo to však nejde: elektrón priťahuje kladne nabité jadro a na jeho odtrhnutie treba dodať energiu. Táto energia sa volá ionizačná energia. Pre sodík to môžeme zapísať takto:

\text{Na} + \text{energia} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-

Čím je ionizačná energia menšia, tým ľahšie atóm elektrón odovzdá a tým ochotnejšie tvorí katióny. Udáva sa v kilojouloch na mól (kJ/mol), teda koľko energie treba na ionizáciu 1 mólu atómov.

Presne: prvá ionizačná energia $I_1$ je najmenšia energia potrebná na odtrhnutie najslabšie viazaného elektrónu z izolovaného atómu v plynnom a základnom stave, $\text{X}(g) \rightarrow \text{X}^+(g) + e^-$ . Pre jeden atóm sa často udáva v elektrónvoltoch. Hodnota 1 eV na atóm zodpovedá 96,485 kJ/mol, takže $I_1(\text{Na}) = 496\ \text{kJ/mol} \approx 5{,}14\ \text{eV}$ .

vyskúšaj si

Graf ionizačnej energie

sodík (Na): 496 kJ/mol. Toľko energie treba na odtrhnutie jedného elektrónu z 1 mólu atómov. Vrcholy sú vzácne plyny (plná vrstva, elektrón sa odtrhne ťažko), najnižšie body sú alkalické kovy (jediný elektrón v novej vrstve).

Graf ukazuje prvú ionizačnú energiu prvkov podľa protónového čísla. Nájdi najvyššie vrcholy aj najhlbšie jamy a zisti, ktoré prvky na nich sedia. Na úrovni SŠ si môžeš zobraziť aj postupné ionizačné energie jedného prvku.

teória

Čo prezrádza graf

Graf vyzerá ako zuby píly. Na vrcholoch sedia vzácne plyny (hélium 2372 kJ/mol, neón 2081 kJ/mol, argón 1521 kJ/mol), v jamách hneď za nimi alkalické kovy (lítium 520 kJ/mol, sodík 496 kJ/mol, draslík 419 kJ/mol). Vzácne plyny majú plnú vrstvu a elektrón nepustia. Alkalický kov má vo vonkajšej vrstve jediný elektrón ďaleko od jadra a ten sa odtrhne ľahko. Každá perióda tak začína nízko a končí vysoko, čo je periodicita v praxi.

teória

Trend v skupine a v perióde

V skupine smerom nadol ionizačná energia klesá. Valenčný elektrón je ďalej od jadra a vnútorné vrstvy ho tienia. Alkalické kovy: Li 520, Na 496, K 419, Rb 403 a Cs 376 kJ/mol.
V perióde zľava doprava ionizačná energia rastie. Atómy sú menšie a náboj jadra väčší, takže elektróny sú držané pevnejšie.

Prvok 3. periódy	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
I₁ (kJ/mol)	496	738	578	787	1012	1000	1251	1521

Trend je presne opačný ako pri polomere atómu z lekcie Polomer atómu a iónu: čím menší atóm, tým pevnejšie drží svoje elektróny. Najmenšiu ionizačnú energiu má preto cézium vľavo dole, najväčšiu hélium vpravo hore.

Výnimky z trendu

V tabuľke 3. periódy si všimni dva poklesy. Hliník (578 kJ/mol) má nižšiu $I_1$ ako horčík (738 kJ/mol), lebo jeho elektrón $3p$ má vyššiu energiu ako elektróny $3s$ a navyše ho elektróny $3s^2$ čiastočne tienia. Síra (1000 kJ/mol) má nižšiu $I_1$ ako fosfor (1012 kJ/mol). Fosfor má tri nespárené elektróny $3p^3$ v polovične zaplnenej podvrstve, kým v síre $3p^4$ je jeden orbitál obsadený dvoma elektrónmi, ktoré sa odpudzujú, a jeden z nich sa preto odtrhne ľahšie. To isté vidno v 2. perióde: berýlium 900 a bór 801 kJ/mol, dusík 1402 a kyslík 1314 kJ/mol.

vyskúšaj si

Ionizačná energia v tabuľke

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

2

3

4

5

6

7

Ln

An

svetlé = elektrón sa odtrhne ľahko, tmavé = ťažko (hélium). Hodnoty v kJ/mol.

Klikni na prvok v tabuľke a pozri si jeho kartu. Na úrovni SŠ uvidíš aj konfiguráciu, elektronegativitu a ďalšie vlastnosti.

11Na22,99

sodík

alkalické kovy

protónové číslo: 11
relatívna atómová hmotnosť: 22,99
perióda: 3
skupina: 1., alkalické kovy (a vodík)
typ: kov
skupenstvo pri 25 °C: pevné
valenčné elektróny: 1
teplota topenia: 97,8 °C
teplota varu: 882,9 °C
hustota: 0,97 g/cm³
história: objavený 1807

Tabuľka zafarbí prvky podľa prvej ionizačnej energie. Nájdi roh s najnižšími hodnotami a roh s najvyššími a kliknutím na prvok zisti presné číslo.

teória

Čo to znamená pre chémiu

Prvky s nízkou ionizačnou energiou sú kovy, ktoré ochotne tvoria katióny. Preto sú alkalické kovy také reaktívne a ich reaktivita smerom nadol rastie, ako ukazuje lekcia Prvky v skupinách. Vysokú ionizačnú energiu majú nekovy a vzácne plyny, tie katióny takmer netvoria.

Postupné ionizačné energie

Atóm môže prísť aj o druhý, tretí a ďalší elektrón. Každý ďalší sa odtrháva ťažšie, lebo odchádza z čoraz kladnejšieho iónu, takže vždy platí, že $I_2$ je väčšia ako $I_1$ a $I_3$ väčšia ako $I_2$ . Obrovský skok nastane, keď sa minú valenčné elektróny a na rad príde plná vnútorná vrstva:

Prvok	I₁	I₂	I₃	I₄
Na	496	4562	6910	9546
Mg	738	1451	7733	10542
Al	578	1817	2745	11577

Hodnoty sú v kJ/mol, tučne je vyznačená prvá hodnota po skoku. Skok za prvým elektrónom sodíka, za druhým horčíka a za tretím hliníka presne zodpovedá iónom Na⁺, Mg²⁺ a Al³⁺. Z postupných ionizačných energií sa tak dá určiť počet valenčných elektrónov, a teda aj skupina prvku.

teória

Elektrónová afinita

Opačný dej nastane, keď atóm elektrón prijme a vznikne anión. Pri väčšine nekovov sa pritom energia uvoľní. Táto energia sa volá elektrónová afinita. Napríklad keď atóm chlóru prijme elektrón, uvoľní sa 349 kJ/mol:

\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-

Najväčšiu elektrónovú afinitu majú halogény: chlór 349, fluór 328, bróm 325 a jód 295 kJ/mol. Chýba im jediný elektrón do osmice, a tak ho prijímajú najochotnejšie. Veľkú afinitu majú aj chalkogény, napríklad síra (200 kJ/mol) a kyslík (141 kJ/mol). Kovy majú afinitu malú (sodík 53 kJ/mol) a vzácne plyny elektrón neprijmú, lebo by musel ísť do novej, vzdialenej vrstvy. Preto pri nich v tabuľke hodnota chýba.

Zaujímavé je, že najväčšiu afinitu nemá fluór, ale chlór. Atóm fluóru je taký malý, že sa v ňom elektróny tlačia, a nový elektrón prijme o niečo menej ochotne.

Pozor na znamienka. Na našej stránke uvádzame elektrónovú afinitu ako uvoľnenú energiu kladným číslom. Mnohé učebnice ju zapisujú ako zmenu entalpie deja $\text{X}(g) + e^- \rightarrow \text{X}^-(g)$ , a teda so záporným znamienkom, pre chlór −349 kJ/mol. Oba zápisy hovoria to isté. Prvky, ktoré stály anión netvoria (vzácne plyny, berýlium, horčík, dusík), majú afinitu blízku nule alebo zápornú, preto ich hodnota v tabuľke chýba.

Elektrónovú afinitu si nezamieňaj s elektronegativitou. Afinita je nameraná energia izolovaného atómu, elektronegativita opisuje, ako silno atóm priťahuje elektróny vo väzbe. Tej sa venuje lekcia Elektronegativita a typ väzby.

rozšírenie Zlato, ortuť a francium: relativistické efekty

V ťažkých atómoch sa elektróny blízko jadra pohybujú rýchlosťou porovnateľnou s rýchlosťou svetla. Podľa teórie relativity sa potom správajú, akoby boli ťažšie, a orbitály s, vrátane vonkajšieho orbitálu 6s, sa zmrštia bližšie k jadru. Elektrón 6s je preto viazaný pevnejšie, ako by sme podľa trendu čakali. Vidno to na číslach: zlato má $I_1$ 890 kJ/mol, oveľa viac ako striebro nad ním (731 kJ/mol), a ortuť až 1007 kJ/mol. Francium (393 kJ/mol) má dokonca vyššiu ionizačnú energiu ako cézium (376 kJ/mol), hoci podľa trendu by malo mať nižšiu. Ten istý jav dáva zlatu žltú farbu, lebo zlato pohlcuje modré svetlo, a ortuti nízku teplotu topenia.

rozšírenie Prečo existuje oxidový anión O²⁻

Prvá elektrónová afinita kyslíka je kladná (141 kJ/mol), druhá však nie. Vtlačiť druhý elektrón do už záporného iónu O⁻ si vyžaduje veľa energie, takže izolovaný ión O²⁻ by v plyne hneď o elektrón prišiel. A predsa ho nájdeme v každom oxide kovu, napríklad v MgO. Energiu potrebnú na jeho vznik totiž bohato vráti mriežková energia, ktorá sa uvoľní, keď sa malé a silno nabité ióny Mg²⁺ a O²⁻ poskladajú do kryštálu. Energetickú bilanciu vzniku iónového kryštálu krok po kroku počíta Bornov-Haberov cyklus.

vyskúšaj si

Riešené príklady

Príklad 1

Ktorý prvok má vyššiu prvú ionizačnú energiu, sodík alebo chlór?

Riešenie

Oba prvky sú v 3. perióde a ionizačná energia smerom doprava rastie. Vyššiu má chlór, 1251 kJ/mol oproti 496 kJ/mol pri sodíku. Chlór preto elektrón skôr prijme, ako by ho odovzdal.

Príklad 2

Ktorý kov ľahšie odovzdá elektrón, lítium alebo draslík?

Riešenie

Draslík je v 1. skupine nižšie, jeho valenčný elektrón je ďalej od jadra. Má menšiu ionizačnú energiu (419 kJ/mol oproti 520 kJ/mol), a preto ľahšie odovzdá elektrón draslík. Aj preto reaguje s vodou prudšie.

Príklad 3

Prvok X z 3. periódy má postupné ionizačné energie 578, 1817, 2745 a 11577 kJ/mol. Koľko má valenčných elektrónov a o aký prvok ide?

Riešenie

Veľký skok je medzi $I_3$ a $I_4$ , z 2745 na 11577 kJ/mol. Prvé tri elektróny sú valenčné, štvrtý už pochádza z vnútornej vrstvy. Prvok má 3 valenčné elektróny, patrí do 13. skupiny a v 3. perióde je to hliník, ktorý tvorí ión Al³⁺.

Príklad 4

Prepočítaj prvú ionizačnú energiu hélia 2372 kJ/mol na elektrónvolty na jeden atóm.

Riešenie

Hodnota 1 eV na atóm zodpovedá 96,485 kJ/mol, preto $I_1(\text{He}) = \dfrac{2372}{96{,}485}\ \text{eV} \approx 24{,}6\ \text{eV}$ . Je to najviac zo všetkých prvkov.

teória

Časté chyby

„Pri ionizácii sa energia uvoľní.“ Ionizačnú energiu treba vždy dodať, elektrón sa sám neodtrhne.
„Vzácne plyny majú najväčšiu elektrónovú afinitu, lebo sú stále.“ Práve naopak, elektrón neprijmú vôbec. Najväčšiu afinitu má chlór.
„Farbu plameňa pri plameňových skúškach spôsobuje ionizácia.“ Elektróny sa v plameni len vybudia na vyššiu hladinu a pri návrate späť vyžiaria svetlo, pozri pokus Plameňové skúšky.
„Druhá ionizačná energia je rovnaká ako prvá.“ Každá ďalšia je väčšia, lebo elektrón odchádza z kladne nabitého iónu.
„Elektrónová afinita a elektronegativita sú to isté.“ Afinita je energia izolovaného atómu, elektronegativita sa týka atómu vo väzbe.

Ako súvisí ionizačná energia s elektrónovou konfiguráciou, ukazuje lekcia Konfigurácia a periodická tabuľka. V ďalšej lekcii Elektronegativita a typ väzby zistíš, ako sa tieto vlastnosti prejavia vo väzbách medzi atómami.

Ionizačná energia a elektrónová afinita

Čo prezrádza graf

Trend v skupine a v perióde

Výnimky z trendu

Čo to znamená pre chémiu

Postupné ionizačné energie

Elektrónová afinita

Riešené príklady

Príklad 1

Príklad 2

Príklad 3

Príklad 4

Časté chyby

Porovnaj prvky

Otestuj sa

Kvíz: Ionizačná energia a elektrónová afinita

Chcete tento pokus naživo?

Nahlásiť chybu