Ionisierungsenergie ist ein wichtiges Konzept sowohl in der Chemie als auch in der Physik, aber es ist schwierig zu verstehen. Die Bedeutung berührt einige Details der Struktur von Atomen und insbesondere, wie stark Elektronen in verschiedenen Elementen an den Zentralkern gebunden sind. Kurz gesagt misst die Ionisierungsenergie, wie viel Energie benötigt wird, um ein Elektron aus dem Atom zu entfernen und es in ein Ion zu verwandeln, das ein Atom mit einer Nettoladung ist.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Die Ionisierungsenergie misst die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron aus seiner Umlaufbahn um ein Atom zu entfernen. Die Energie, die benötigt wird, um das am schwächsten gebundene Elektron zu entfernen, ist die erste Ionisierungsenergie. Die Energie, die benötigt wird, um das nächstschwächste gebundene Elektron zu entfernen, ist die zweite Ionisierungsenergie und so weiter.
Im Allgemeinen nimmt die Ionisierungsenergie zu, wenn Sie sich von links nach rechts oder von unten nach oben durch das Periodensystem bewegen. Bestimmte Energien können jedoch abweichen, daher sollten Sie die Ionisierungsenergie für jedes bestimmte Element nachschlagen.
Was ist Ionisierungsenergie?
Elektronen besetzen in jedem Atom spezifische „Orbitale“ um den zentralen Kern. Sie können sich diese als Umlaufbahnen vorstellen, ähnlich wie Planeten die Sonne umkreisen. In einem Atom werden die negativ geladenen Elektronen von den positiv geladenen Protonen angezogen. Diese Anziehung hält das Atom zusammen.
Etwas muss die Anziehungsenergie überwinden, um ein Elektron aus seiner Umlaufbahn zu entfernen. Die Ionisierungsenergie ist der Begriff für die Energiemenge, die benötigt wird, um das Elektron vollständig aus dem Atom zu entfernen und es von den Protonen im Kern anzuziehen. Technisch gesehen gibt es viele verschiedene Ionisierungsenergien für Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind. Die Energie, die erforderlich ist, um das am schwächsten angezogene Elektron zu entfernen, ist die erste Ionisierungsenergie. Die Energie, die erforderlich ist, um das am zweitschwächsten angezogene Elektron zu entfernen, ist die zweite Ionisierungsenergie und so weiter.
Ionisierungsenergien werden entweder in kJ/mol (Kilojoule pro Mol) oder eV (Elektronenvolt) gemessen, mit erstere bevorzugt in der Chemie, letztere bevorzugt bei Einzelatomen in Physik.
Faktoren, die die Ionisationsenergie beeinflussen
Die Ionisationsenergie hängt von verschiedenen Faktoren ab. Im Allgemeinen nimmt die Ionisierungsenergie zu, wenn mehr Protonen im Kern vorhanden sind. Dies ist sinnvoll, denn je mehr Protonen die Elektronen anziehen, desto größer wird die Energie, die erforderlich ist, um die Anziehung zu überwinden. Der andere Faktor ist, ob die Schale mit den äußersten Elektronen vollständig mit Elektronen besetzt ist. Eine volle Schale – zum Beispiel die Schale, die beide Elektronen in Helium enthält – ist schwieriger, Elektronen zu entfernen als eine teilweise gefüllte Schale, weil das Layout stabiler ist. Wenn es eine Vollschale mit einem Elektron in einer Außenschale gibt, „schirmen“ die Elektronen in der Vollschale das Elektron in der ab äußere Schale von einem Teil der Anziehungskraft des Kerns, und so nimmt das Elektron in der äußeren Schale weniger Energie auf, um entfernen.
Ionisierungsenergie und das Periodensystem
Das Periodensystem ordnet die Elemente nach steigender Ordnungszahl an, und seine Struktur ist eng mit den Schalen und Orbitalen verbunden, die Elektronen besetzen. Dies bietet eine einfache Möglichkeit, vorherzusagen, welche Elemente höhere Ionisierungsenergien haben als andere Elemente. Im Allgemeinen nimmt die Ionisierungsenergie zu, wenn Sie sich im Periodensystem von links nach rechts bewegen, da die Anzahl der Protonen im Kern zunimmt. Auch die Ionisationsenergie nimmt zu, wenn Sie sich von der unteren in die oberste Reihe der Tabelle bewegen, da die Elemente in den unteren Reihen haben mehr Elektronen, die die äußeren Elektronen von der zentralen Ladung im Kern. Es gibt jedoch einige Abweichungen von dieser Regel, daher ist der beste Weg, die Ionisierungsenergie eines Atoms zu ermitteln, sie in einer Tabelle nachzuschlagen.
Die Endprodukte der Ionisierung: Ionen
Ein Ion ist ein Atom, das eine Nettoladung hat, weil das Gleichgewicht zwischen der Anzahl von Protonen und Elektronen gebrochen wurde. Wenn ein Element ionisiert wird, nimmt die Anzahl der Elektronen ab, so dass es mit einem Überschuss an Protonen und einer positiven Nettoladung zurückbleibt. Positiv geladene Ionen werden Kationen genannt. Kochsalz (Natriumchlorid) ist eine ionische Verbindung, die die kationische Version des Natriumatoms enthält, bei der ein Elektron durch einen Prozess entfernt wurde, der die Ionisierungsenergie verleiht. Obwohl sie nicht durch die gleiche Ionisationsart erzeugt werden, weil sie ein zusätzliches Elektron gewinnen, werden negativ geladene Ionen als Anionen bezeichnet.