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Energía de ionización

Tendencias de la energía de ionización representadas frente al número atómico , en unidades eV . La energía de ionización aumenta gradualmente desde los metales alcalinos hasta los gases nobles . La energía de ionización máxima también disminuye de la primera a la última fila de una columna determinada, debido a la creciente distancia entre la capa de electrones de valencia y el núcleo. Los valores previstos se utilizan para elementos superiores a 104.

En física y química , la energía de ionización ( IE ) es la energía mínima necesaria para eliminar el electrón más débilmente unido de un átomo gaseoso , ion positivo o molécula aislado . [1] La primera energía de ionización se expresa cuantitativamente como

X(g) + energía ⟶ X + (g) + e −

donde X es cualquier átomo o molécula, X + es el ion resultante cuando al átomo original se le despoja de un solo electrón, y e − es el electrón eliminado. [2] La energía de ionización es positiva para los átomos neutros, lo que significa que la ionización es un proceso endotérmico . En términos generales, cuanto más cerca estén los electrones más externos del núcleo del átomo , mayor será la energía de ionización del átomo.

En física, la energía de ionización suele expresarse en electronvoltios (eV) o julios (J). En química, se expresa como la energía necesaria para ionizar un mol de átomos o moléculas, generalmente como kilojulios por mol (kJ/mol) o kilocalorías por mol (kcal/mol). [3]

La comparación de las energías de ionización de los átomos en la tabla periódica revela dos tendencias periódicas que siguen las reglas de la atracción de Coulomb : [4]

  1. La energía de ionización generalmente aumenta de izquierda a derecha dentro de un período determinado (es decir, fila).
  2. La energía de ionización generalmente disminuye de arriba a abajo en un grupo determinado (es decir, una columna).

La última tendencia se debe a que la capa externa de electrones se aleja progresivamente del núcleo, con la adición de una capa interna por fila a medida que se avanza en la columna.

La n- ésima energía de ionización se refiere a la cantidad de energía requerida para eliminar el electrón más débilmente unido de la especie que tiene una carga positiva de ( n - 1). Por ejemplo, las tres primeras energías de ionización se definen de la siguiente manera:

La primera energía de ionización es la energía que permite la reacción X ⟶ X + + e −
La segunda energía de ionización es la energía que permite la reacción X + ⟶ X 2+ + e −
La tercera energía de ionización es la energía que permite la reacción X 2+ ⟶ X 3+ + e −

Las influencias más notables que determinan la energía de ionización incluyen:

Las influencias menores incluyen:

El término potencial de ionización es un término antiguo y obsoleto [6] para la energía de ionización, [7] porque el método más antiguo para medir la energía de ionización se basaba en ionizar una muestra y acelerar el electrón eliminado utilizando un potencial electrostático .

Determinación de energías de ionización.

Aparatos de medida de energía de ionización.

La energía de ionización de los átomos, denominada Ei , se mide [8] encontrando la energía mínima de los cuantos de luz ( fotones ) o electrones acelerados hasta una energía conocida que expulsará a los electrones atómicos menos unidos. La medición se realiza en fase gaseosa en átomos individuales. Mientras que sólo los gases nobles se presentan como gases monoatómicos , otros gases pueden dividirse en átomos individuales. [9] Además, muchos elementos sólidos se pueden calentar y vaporizar en átomos individuales. El vapor monoatómico está contenido en un tubo previamente evacuado que tiene dos electrodos paralelos conectados a una fuente de voltaje. La excitación ionizante se introduce a través de las paredes del tubo o se produce en su interior.

Cuando se utiliza luz ultravioleta, la longitud de onda se desplaza hacia abajo en el rango ultravioleta. A una determinada longitud de onda (λ) y frecuencia de la luz (ν=c/λ, donde c es la velocidad de la luz), los cuantos de luz, cuya energía es proporcional a la frecuencia, tendrán una energía lo suficientemente alta como para desalojar los electrones menos unidos. . Estos electrones serán atraídos por el electrodo positivo y los iones positivos que queden después de la fotoionización serán atraídos por el electrodo cargado negativamente. Estos electrones e iones establecerán una corriente a través del tubo. La energía de ionización será la energía de los fotones hν i ( h es la constante de Planck ) que provocaron un fuerte aumento en la corriente: E i = hν i .

Cuando se utilizan electrones de alta velocidad para ionizar los átomos, son producidos por un cañón de electrones dentro de un tubo de vacío similar. La energía del haz de electrones puede controlarse mediante los voltajes de aceleración. La energía de estos electrones, que da lugar a un fuerte inicio de la corriente de iones y electrones liberados a través del tubo, coincidirá con la energía de ionización de los átomos.

Átomos: valores y tendencias.

Generalmente, la energía de ionización ( N +1) de un elemento particular es mayor que la energía de ionización N (también se puede observar que la energía de ionización de un anión es generalmente menor que la de los cationes y el átomo neutro para el mismo elemento). ). Cuando la siguiente energía de ionización implica eliminar un electrón de la misma capa electrónica, el aumento en la energía de ionización se debe principalmente al aumento de la carga neta del ion del cual se elimina el electrón. Los electrones extraídos de iones más cargados experimentan mayores fuerzas de atracción electrostática; por tanto, su eliminación requiere más energía. Además, cuando la siguiente energía de ionización implica eliminar un electrón de una capa electrónica inferior, la distancia mucho menor entre el núcleo y el electrón también aumenta tanto la fuerza electrostática como la distancia sobre la cual se debe superar esa fuerza para eliminar el electrón. Ambos factores aumentan aún más la energía de ionización.

Algunos valores para elementos del tercer período se dan en la siguiente tabla:

Se producen grandes saltos en las sucesivas energías de ionización molar al pasar por configuraciones de gases nobles . Por ejemplo, como se puede ver en la tabla anterior, las dos primeras energías de ionización molar del magnesio (quitando los dos electrones 3s de un átomo de magnesio) son mucho más pequeñas que la tercera, lo que requiere quitar un electrón 2p de la configuración de neón de mg2 + . Ese electrón 2p está mucho más cerca del núcleo que los electrones 3s eliminados anteriormente.

Las energías de ionización alcanzan su punto máximo en los gases nobles al final de cada período en la tabla periódica de elementos y, por regla general, descienden cuando una nueva capa comienza a llenarse.

La energía de ionización también es una tendencia periódica dentro de la tabla periódica. Moviéndose de izquierda a derecha dentro de un período , o hacia arriba dentro de un grupo , la primera energía de ionización generalmente aumenta, [10] con excepciones como el aluminio y el azufre en la tabla anterior. A medida que aumenta la carga nuclear del núcleo a lo largo del período, aumenta la atracción electrostática entre electrones y protones, por lo tanto, el radio atómico disminuye y la nube de electrones se acerca al núcleo [11] porque los electrones, especialmente el más externo, se mantienen retenidos. más estrechamente por la mayor carga nuclear efectiva.

Al moverse hacia abajo dentro de un grupo determinado, los electrones se mantienen en capas de mayor energía con un número cuántico principal n más alto, más alejadas del núcleo y, por lo tanto, están más débilmente unidos, de modo que la energía de ionización disminuye. La carga nuclear efectiva aumenta sólo lentamente, de modo que su efecto se ve compensado por el aumento de n. [12]

Excepciones en energías de ionización.

Hay excepciones a la tendencia general de aumento de las energías de ionización dentro de un período. Por ejemplo, el valor disminuye a partir del berilio ( 
4Ser
: 9,3 eV) a boro ( 
5B
: 8,3 eV), y del nitrógeno ( 
7norte
: 14,5 eV) a oxígeno ( 
8oh
: 13,6 eV). Estas caídas se pueden explicar en términos de configuraciones electrónicas. [13]

El electrón añadido en el boro ocupa un orbital p .

El boro tiene su último electrón en un orbital 2p, que tiene su densidad electrónica más alejada del núcleo en promedio que los electrones 2s en la misma capa. Los electrones 2s entonces protegen al electrón 2p del núcleo hasta cierto punto, y es más fácil quitar el electrón 2p del boro que quitar un electrón 2s del berilio, lo que resulta en una menor energía de ionización para B. [2]

En el oxígeno, el último electrón comparte un orbital p doblemente ocupado con un electrón de espín opuesto . Los dos electrones en el mismo orbital están más cerca entre sí en promedio que dos electrones en orbitales diferentes, de modo que se protegen entre sí del núcleo de manera más efectiva y es más fácil eliminar un electrón, lo que resulta en una menor energía de ionización. [2] [14]

Además, después de cada elemento de gas noble, la energía de ionización cae drásticamente. Esto ocurre porque el electrón externo de los metales alcalinos requiere una cantidad mucho menor de energía para ser eliminado del átomo que las capas internas. Esto también da lugar a valores bajos de electronegatividad para los metales alcalinos. [15] [16] [17]

Las tendencias y excepciones se resumen en las siguientes subsecciones:

La energía de ionización disminuye cuando

La energía de ionización aumenta cuando

Anomalías de la energía de ionización en grupos.

Los valores de energía de ionización tienden a disminuir al pasar a elementos más pesados ​​dentro de un grupo [13] ya que el blindaje lo proporcionan más electrones y, en general, las capas de valencia experimentan una atracción más débil desde el núcleo, atribuida al mayor radio covalente que aumenta al descender por un grupo [28] Sin embargo, este no es siempre el caso. Como excepción, en el Grupo 10 paladio ( 
46PD
: 8,34 eV) tiene una energía de ionización mayor que el níquel ( 
28Ni
: 7,64 eV), al contrario de la disminución general de los elementos del tecnecio 
43tc
al xenón 
54xe
. Estas anomalías se resumen a continuación:

Modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno.

La energía de ionización del átomo de hidrógeno ( ) se puede evaluar en el modelo de Bohr , [39] que predice que el nivel de energía atómica tiene energía

RH es la constante de Rydberg para el átomo de hidrógeno. Para el hidrógeno en el estado fundamental y para que la energía del átomo antes de la ionización sea simplemente

Después de la ionización, la energía es cero para un electrón inmóvil infinitamente lejos del protón, de modo que la energía de ionización es

. Esto concuerda con el valor experimental para el átomo de hidrógeno.

Explicación mecánica cuántica

Según la teoría más completa de la mecánica cuántica , la ubicación de un electrón se describe mejor como una distribución de probabilidad dentro de una nube de electrones , es decir, un orbital atómico . [40] [41] La energía se puede calcular integrando esta nube. La representación matemática subyacente de la nube es la función de onda , que se construye a partir de determinantes de Slater que consisten en orbitales de espín molecular. [42] Estos están relacionados por el principio de exclusión de Pauli con los productos antisimetrizados de los orbitales atómicos o moleculares .

Hay dos formas principales de calcular la energía de ionización. En general, el cálculo de la energía de ionización N -és requiere calcular las energías de los sistemas electrónicos. Calcular estas energías exactamente no es posible excepto en los sistemas más simples (es decir, hidrógeno y elementos similares al hidrógeno ), principalmente debido a las dificultades para integrar los términos de correlación electrónica . [43] Por lo tanto, se emplean rutinariamente métodos de aproximación, con diferentes métodos que varían en complejidad (tiempo de cálculo) y precisión en comparación con los datos empíricos. Esto se ha convertido en un problema muy estudiado y se realiza de forma rutinaria en química computacional . La segunda forma de calcular las energías de ionización se utiliza principalmente en el nivel más bajo de aproximación, donde la energía de ionización la proporciona el teorema de Koopmans , que involucra el orbital molecular ocupado más alto u " HOMO " y el orbital molecular desocupado más bajo o " LUMO ". y afirma que la energía de ionización de un átomo o molécula es igual al valor negativo de la energía del orbital del que se expulsa el electrón. [44] Esto significa que la energía de ionización es igual al negativo de la energía HOMO, que en una ecuación formal se puede escribir como: [45]

Moléculas: energía de ionización vertical y adiabática.

Figura 1. Diagrama de energía del principio de Franck-Condon. Para la ionización de una molécula diatómica, la única coordenada nuclear es la longitud del enlace. La curva inferior es la curva de energía potencial de la molécula neutra y la curva superior es para el ion positivo con una longitud de enlace más larga. La flecha azul es la ionización vertical, aquí desde el estado fundamental de la molécula hasta el nivel v=2 del ion.

La ionización de moléculas a menudo conduce a cambios en la geometría molecular , y se definen dos tipos de (primera) energía de ionización: adiabática y vertical . [46]

Energía de ionización adiabática

La energía de ionización adiabática de una molécula es la cantidad mínima de energía necesaria para extraer un electrón de una molécula neutra, es decir, la diferencia entre la energía del estado fundamental vibratorio de la especie neutra (v" = nivel 0) y la del estado positivo ion (v' = 0). La geometría de equilibrio específica de cada especie no afecta este valor.

Energía de ionización vertical

Debido a los posibles cambios en la geometría molecular que pueden resultar de la ionización, pueden existir transiciones adicionales entre el estado fundamental vibratorio de la especie neutra y los estados excitados vibratorios del ion positivo. En otras palabras, la ionización va acompañada de excitación vibratoria . La intensidad de tales transiciones se explica por el principio de Franck-Condon , que predice que la transición más probable e intensa corresponde al estado vibracionalmente excitado del ion positivo que tiene la misma geometría que la molécula neutra. Esta transición se conoce como energía de ionización "vertical", ya que está representada por una línea completamente vertical en un diagrama de energía potencial (ver Figura).

Para una molécula diatómica, la geometría está definida por la longitud de un enlace simple . La eliminación de un electrón de un orbital molecular de enlace debilita el enlace y aumenta la longitud del enlace. En la Figura 1, la curva de energía potencial inferior es para la molécula neutra y la superficie superior es para el ion positivo. Ambas curvas representan la energía potencial en función de la longitud del enlace. Las líneas horizontales corresponden a niveles vibratorios con sus funciones de onda vibratorias asociadas . Dado que el ion tiene un enlace más débil, tendrá una longitud de enlace más larga. Este efecto se representa desplazando el mínimo de la curva de energía potencial hacia la derecha de la especie neutra. La ionización adiabática es la transición diagonal al estado fundamental vibratorio del ion. La ionización vertical puede implicar una excitación vibratoria del estado iónico y, por tanto, requiere mayor energía.

En muchas circunstancias, la energía de ionización adiabática suele ser una cantidad física más interesante ya que describe la diferencia de energía entre las dos superficies de energía potencial. Sin embargo, debido a limitaciones experimentales, la energía de ionización adiabática suele ser difícil de determinar, mientras que la energía de desprendimiento vertical es fácilmente identificable y mensurable.

Análogos de la energía de ionización a otros sistemas.

Si bien el término energía de ionización se utiliza en gran medida sólo para especies atómicas, catiónicas o moleculares en fase gaseosa, existen varias cantidades análogas que consideran la cantidad de energía necesaria para eliminar un electrón de otros sistemas físicos.

Energía de enlace de electrones

Energías de enlace de orbitales atómicos específicos en función del número atómico. Debido al creciente número de protones, los electrones que ocupan el mismo orbital están más estrechamente unidos a elementos más pesados.

Energía de enlace de electrones es un término genérico para la energía mínima necesaria para eliminar un electrón de una capa electrónica particular para un átomo o ion, debido a que estos electrones cargados negativamente se mantienen en su lugar por la atracción electrostática del núcleo cargado positivamente. [47] Por ejemplo, la energía de enlace de electrones para eliminar un electrón 3p 3/2 del ion cloruro es la cantidad mínima de energía requerida para eliminar un electrón del átomo de cloro cuando tiene una carga de −1. En este ejemplo particular, la energía de enlace de los electrones tiene la misma magnitud que la afinidad electrónica por el átomo de cloro neutro. En otro ejemplo, la energía de unión de electrones se refiere a la cantidad mínima de energía requerida para eliminar un electrón del dianión dicarboxilato − O 2 C(CH 2 ) 8 CO−
2.

El gráfico de la derecha muestra la energía de enlace de los electrones en diferentes capas de átomos neutros. La energía de ionización es la energía de enlace más baja para un átomo en particular (aunque no todas se muestran en el gráfico).

Superficies sólidas: función de trabajo

La función de trabajo es la cantidad mínima de energía necesaria para eliminar un electrón de una superficie sólida, donde la función de trabajo W para una superficie determinada se define por la diferencia [48]

donde − e es la carga de un electrón , ϕ es el potencial electrostático en el vacío cerca de la superficie y E F es el nivel de Fermi ( potencial electroquímico de los electrones) dentro del material.

Nota

  1. ^ No obstante, aún se necesitan más investigaciones para corroborar esta mera inferencia.

Ver también

Referencias

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Fuentes