Ionizační energie

Rozbalit box

Obsah boxu

Ionizační energie (také ionizační potenciál, značená E_i nebo I) je fyzikálně-chemická veličina, která udává množství energie, jež je nutné dodat k odstranění jednoho elektronu z volného, elektricky neutrálního atomu nebo molekuly v plynném stavu. Výsledkem tohoto procesu, zvaného ionizace, je vznik kladně nabitého iontu (kationtu).

Hodnota ionizační energie je klíčovým ukazatelem chemické reaktivity prvků. Nízká ionizační energie znamená, že prvek snadno tvoří kationty a má tedy výrazné kovové vlastnosti. Naopak vysoká ionizační energie je charakteristická pro nekovy a vzácné plyny, které své valenční elektrony uvolňují jen velmi neochotně. Jednotkou v soustavě SI je joule (J), ale v praxi se mnohem častěji používá elektronvolt (eV) na jeden atom, nebo kilojoule na mol (kJ/mol) pro soubor atomů.

⚛️ Definice a rovnice

Formálně lze první ionizační energii definovat jako minimální energii potřebnou pro následující proces:

X(g) + energie → X⁺(g) + e⁻

Kde:

X(g) představuje atom nebo molekulu v plynném stavu.
X⁺(g) je výsledný kationt po odtržení jednoho elektronu, rovněž v plynném stavu.
e⁻ je odtržený elektron.

Podmínka plynného stavu je zásadní, protože vylučuje vlivy mezimolekulárních interakcí v kapalném nebo pevném stavu, které by hodnotu energie zkreslily. Měří se tedy energie potřebná k ionizaci izolovaného atomu.

🔢 Následné ionizační energie

Po odtržení prvního elektronu je možné z vzniklého kationtu X⁺ odtrhnout další elektron. Energie potřebná k tomuto druhému kroku se nazývá druhá ionizační energie (E_i2). Tento proces lze opakovat, dokud má atom elektrony, a hovoříme tak o třetí, čtvrté a dalších ionizačních energiích.

První ionizační energie (E_i1): X(g) → X⁺(g) + e⁻
Druhá ionizační energie (E_i2): X⁺(g) → X²⁺(g) + e⁻
Třetí ionizační energie (E_i3): X²⁺(g) → X³⁺(g) + e⁻

Pro každý prvek platí, že následné ionizační energie jsou vždy vyšší než ty předchozí:

E_i1 < E_i2 < E_i3 < ...

Důvodem je, že po odtržení elektronu se zmenší vzájemné odpuzování zbývajících elektronů a zároveň se zvýší efektivní náboj jádra, který na ně působí. Zbývající elektrony jsou tak k jádru přitahovány silněji a k jejich odtržení je zapotřebí více energie.

Obzvláště velký skok v hodnotách nastává, když se odtrhává elektron z již zaplněné, stabilní elektronové slupky. Například u hořčíku (Mg) jsou první dvě ionizační energie relativně nízké, protože se odtrhávají dva valenční elektrony. Třetí ionizační energie je však skokově vyšší, protože se již odtrhává elektron z vnitřní, stabilní slupky, která je blíže jádru.

Mg(g) → Mg⁺(g) + e⁻ (E_i1 = 738 kJ/mol)
Mg⁺(g) → Mg²⁺(g) + e⁻ (E_i2 = 1451 kJ/mol)
Mg²⁺(g) → Mg³⁺(g) + e⁻ (E_i3 = 7733 kJ/mol) - velký skok

📈 Trendy v periodické tabulce

Hodnoty ionizační energie vykazují v periodické tabulce prvků zřetelné trendy, které souvisejí se změnami atomového poloměru, náboje jádra a elektronové konfigurace.

➡️ V rámci periody

Při pohybu zleva doprava v rámci jedné periody první ionizační energie obecně roste.

**Důvod:** S rostoucím protonovým číslem se zvyšuje kladný náboj jádra. Elektrony jsou přibírány do stejné valenční slupky, takže jsou k jádru přitahovány stále silněji. Atomový poloměr se zmenšuje, což ztěžuje odtržení elektronu.
**Výjimky:** Existují dva typické "zuby" v tomto trendu:

   1.  **Přechod z 2. do 13. skupiny:** Prvky 13. skupiny (např. bor, hliník) mají nižší E_i1 než prvky 2. skupiny (např. beryllium, hořčík). Důvodem je, že se začíná obsazovat nový orbital typu p, který je energeticky výše než orbital s. Elektron v orbitalu p je tedy dále od jádra a je lépe stíněn, takže jeho odtržení je snazší.
   2.  **Přechod z 15. do 16. skupiny:** Prvky 16. skupiny (např. kyslík, síra) mají nižší E_i1 než prvky 15. skupiny (např. dusík, fosfor). Důvodem je stabilita polozaplněného orbitalu p. Prvky 15. skupiny mají v orbitalech p tři elektrony (každý orbital je obsazen jedním elektronem se stejným spinem - Hundovo pravidlo). Tato konfigurace je energeticky výhodná. U prvků 16. skupiny je v jednom z p orbitalů již pár elektronů, které se vzájemně odpuzují, což usnadňuje odtržení jednoho z nich.

⬇️ V rámci skupiny

Při pohybu shora dolů v rámci jedné skupiny první ionizační energie obecně klesá.

**Důvod:** Ačkoliv náboj jádra roste, valenční elektrony se nacházejí v energeticky vyšších slupkách, které jsou stále dál od jádra. Zvětšuje se tak atomový poloměr. Navíc jsou valenční elektrony efektivněji stíněny vnitřními elektronovými slupkami, což snižuje přitažlivou sílu jádra. Odtržení elektronu je proto snazší. Nejnižší ionizační energii má francium a cesium, nejvyšší helium.

🔬 Faktory ovlivňující ionizační energii

Shrneme-li, velikost ionizační energie je ovlivněna kombinací několika faktorů:

Náboj jádra: Větší počet protonů v jádře znamená silnější přitahování elektronů a tedy vyšší ionizační energii.
Vzdálenost elektronu od jádra (atomový poloměr): Čím dále je elektron od jádra, tím slaběji je přitahován a tím nižší je ionizační energie.
Stínění vnitřními elektrony: Elektrony ve vnitřních slupkách "stíní" valenční elektrony před plným nábojem jádra, čímž snižují přitažlivou sílu a ionizační energii.
Elektronová konfigurace: Atomy se zaplněnými nebo polozaplněnými slupkami či orbitaly jsou stabilnější a mají vyšší ionizační energii než jejich sousedé v periodické tabulce.

🧪 Význam a aplikace

Chemická reaktivita: Prvky s nízkou E_i (např. alkalické kovy) snadno ztrácejí elektrony a tvoří kationty, jsou tedy velmi reaktivní a mají silné redukční vlastnosti. Prvky s vysokou E_i (halogeny, vzácné plyny) elektrony ztrácejí neochotně.
Typ chemické vazby: Velký rozdíl v ionizačních energiích dvou reagujících prvků vede typicky ke vzniku iontové vazby (jeden atom elektron předá druhému). Malý rozdíl naopak podporuje vznik kovalentní vazby (sdílení elektronů).
Spektroskopie: Ionizační energie lze přesně měřit pomocí technik jako je fotoelektronová spektroskopie (PES), která poskytuje cenné informace o elektronové struktuře atomů a molekul.
Astrofyzika: Analýzou světla z hvězd a mlhovin mohou astronomové určit, které ionty jsou v nich přítomny, a z toho odvodit teplotu a složení těchto objektů. Proces ionizace je klíčový pro vznik plazmatu, nejrozšířenějšího stavu hmoty ve vesmíru.

💡 Pro laiky: Energie na "odtržení" magnetu

Představte si atomové jádro jako velmi silný magnet uprostřed velké kovové desky a elektrony jako malé kovové kuličky (magnety) na této desce. Ionizační energie je síla (energie), kterou musíte vynaložit, abyste jednu kuličku z desky odtrhli.

**Pohyb v periodě (doleva doprava):** Je to jako byste hlavní magnet uprostřed desky stále zesilovali. Odtrhnout kuličku je pak čím dál těžší.
**Pohyb ve skupině (shora dolů):** Je to jako byste kuličku umisťovali na stále vzdálenější okraj desky. I když je magnet uprostřed silný, na dálku už tolik nepůsobí a kuličku odtrhnete snadněji.
**Odtržení dalšího elektronu:** Když jednu kuličku odtrhnete, ty zbývající se mohou k hlavnímu magnetu o kousek přiblížit a drží pevněji. Proto je odtržení druhé kuličky těžší než té první.
**Skok v energii:** Odtrhávání kuliček z vnějšího okraje desky je relativně snadné. Ale když se chcete dostat ke kuličce, která je přilepená přímo u hlavního magnetu (elektron z vnitřní slupky), musíte vynaložit obrovskou sílu.

📊 Příklady hodnot první ionizační energie

Následující tabulka ukazuje hodnoty první ionizační energie (E_i1) pro prvky prvních dvou period a ilustruje popsané trendy.

První ionizační energie (v kJ/mol)
Skupina	1	2	13	14	15	16	17	18
Perioda 1	H 1312							He 2372
Perioda 2	Li 520	Be 899	B 801	C 1086	N 1402	O 1314	F 1681	Ne 2081
Perioda 3	Na 496	Mg 738	Al 578	Si 787	P 1012	S 1000	Cl 1251	Ar 1521

Šablona:Aktualizováno