طاقة التأين الذرة هي الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون منها.^[1][2][3] تعتبر طاقة التأين ذات أهمية كبيرة في الكيمياء الفيزيائية لأنها مقياس لقوة ارتباط الإلكترون بالذرة. إذا كانت الرابطة بين الإلكترون ونواة الذرة كبيرة ، فإن الطاقة التي يجب أن نوفرها للإلكترون لترك الذرة وفصلها عنها تزداد.

يمكننا القول أن طاقة التأين هي كمية الطاقة اللازمة لفصل الإلكترون الأقل ارتباطًا بنواة الذرة في الحالة الغازية ، وهي إلكترون التكافؤ. في معظم الحالات ، تتم الإزالة بعدة خطوات متتالية ، وتسمى الطاقة لإزالة الإلكترون الأول “طاقة التأين الأولى” ، وعندما نستخرج إلكترونًا ثانيًا من الذرة ، تكون “طاقة التأين الثانية” مطلوبة ، و وهكذا بالنسبة للإلكترونات التالية.

تحدث هذه العملية غالبًا عن طريق تسليط أشعة ضوئية بتردد معين على العنصر في حالته الغازية ، ويتم امتصاص الإلكترون به وإزالته من الذرة. تختلف ترددات الضوء اللازمة لاستخراج إلكترون من ذرة عنصر باختلاف العنصر. تعتمد طاقة التأين أولاً على نوع العنصر ، كما تعتمد أيضًا على ما إذا كان الإلكترون الأول أم الإلكترون الثاني أم الإلكترون الثالث. من الطبيعي أنه كلما كان حجم العنصر أصغر ، زادت قوة جذب النواة للإلكترون الخارجي ، وبالتالي يصعب إزالته. لهذا السبب ، نجد أن طاقة التأين للعناصر تزداد من اليسار إلى اليمين في فترة واحدة في الجدول الدوري وتنخفض من أعلى إلى أسفل في المجموعة.

القيم والاتجاهات[عدل]

بشكل عام ، تقل طاقة التأين من خلال المجموعة في الجدول الدوري من أعلى إلى أسفل ، ومن ناحية أخرى تزداد من اليسار إلى اليمين أثناء الدورة بسبب زيادة العدد الذري ، مما يعني زيادة في الفاعلية الشحنة النووية (الشحنة النووية الفعالة = شحنة النواة – عامل الحجب). تؤدي زيادة عدد البروتونات في النواة إلى زيادة جذب الإلكترونات في الذرة ، بما في ذلك المستويات الخارجية. لذلك ، تزداد الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من الذرة ، أي تزداد طاقة التأين. تتناسب طاقة التأين عكسياً مع نصف القطر الذري. وكلما زاد نصف القطر الذري ، زادت مسافة إلكترونات المستويات الخارجية عن النواة ، وقل جذبها من النواة ، لذلك يسهل إزالتها من الذرة ، أي تقل طاقة التأين.

عندما نزيل أول إلكترون خارجي من الذرة ، ونبدأ في إزالة الإلكترون التالي من مداره الذري ، نجد زيادة كبيرة في طاقة التأين. هذا لأنه بعد استخراج الإلكترون الأول ونتحرك لإزالة الإلكترون الثاني ، يكون هذا أقرب إلى النواة ، وبالتالي تزداد الطاقة اللازمة لاستخراجه. ترتبط الإلكترونات الموجودة في المدارات القريبة من النواة بها بواسطة قوى جذب إلكتروستاتيكية أكبر ، وبالتالي تتطلب المزيد من الطاقة للاستيلاء عليها.

بعض قيم طاقة التأين للدورة الثالثة موجودة في الجدول التالي:

طاقة التأين هي كيلوجول لكل مول

عنصر	الأول	الثاني	ثالث	الرابعة	الخامس	السادس	السابع
سابقا	496	4560
ملغ	738	1450	7730
ال	577	1816	2744	11600
و	786	1577	3228	4354	16100
ص	1060	1890	2905	4950	6270	21200
س	999	2260	3375	4565	6950	8490	11000
Cl	1256	2295	3850	5160	6560	9360	11000
أر	1،520	2665	3945	5770	7230	8780	12000

نلاحظ قفزات كبيرة في طاقة التأين المولي عند تبديل هيكل غاز خامل. على سبيل المثال ، نرى أن أول طاقتين لتأين مول واحد من المغنيسيوم (إزالة إلكترونين من المدار 3s) أقل بكثير من الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون ثالث (من المدار 2p) الذي يحتوي على نواة نيون في هيكل ملغ.²⁺.

التفسير الالكتروستاتيكي[عدل]

يمكن توقع طاقات التأين باستخدام تحليل بسيط للجهد الكهروستاتيكي ونموذج بوهر للذرة على النحو التالي:

بافتراض أن الإلكترون لديه شحنة هـ-والأيون له شحنة هو +أين ن هو عدد الإلكترونات المفقودة من الذرة. وفقًا لنموذج بوهر ، يقترب الإلكترون من اللانهاية من الذرة ويربط. يدور حول النواة ويبعد نصف قطر بوهر أ. الجهد الكهروستاتيكي على مسافة أ:

$\ displaystyle V = \ frac 1 4 \ pi \ epsilon _ 0 \ frac ne a \، \!$

وبما أن الإلكترون له شحنة سالبة ، فإنه ينجذب إلى الجهد الموجب للنواة (وتسمى قيمة هذا الجهد إمكانية التأينلذلك فإن القفز وترك الذرة يتطلب طاقة بقدر:

$\ displaystyle E = eV = \ frac 1 4 \ pi \ epsilon _ 0 \ frac ne ^ 2 a \، \!$

هذا التحليل البسيط غير مكتمل ويترك مسافة أ مجهول. ويمكن أن يكون أكثر دقة بتحديد هذه المسافة لكل إلكترون في العناصر الكيميائية ، وبالتالي تتطابق العلاقة مع التجارب العملية.

التفسير حسب ميكانيكا الكم[عدل]

وفقًا لنظرية ميكانيكا الكم ، يوصف الإلكترون على أنه سحابة للأماكن التي من المتوقع أن يتواجد فيها (في مدار إلكتروني) ، ويعطي إمكانيات الإلكترون التي تتراوح من القرب إلى المسافة r من النواة. يمكن لميكانيكا الكم حساب الطاقة من خلال دمج هذه السحابة ، وأبسط صيغة لطاقة التأين هي كما يلي:

$\ displaystyle E = – \ int \ psi ^ * (\ mathbf r) H \ psi (\ mathbf r) d ^ 3 \ mathbf r$

أين ح The Hamiltonian (ميكانيكا الكم) ، دبليو

$\ displaystyle \ psi$

هي الدالة الموجية للحالة الأرضية للإلكترون. حسب معادلة هاميلتونيان ح يتكون من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة للإلكترون ، حيث يقع بالقرب من النواة الموجبة الشحنة وهو تحت تأثير إمكانات كولوم الخاصة به:

$\ displaystyle H = – \ frac Z \ left – \ frac 1 2 \ nabla ^ 2$

بينما ض هي الشحنة النووية و

$\ displaystyle \ nabla$

عامل التدرج الذي يصف حركة الإلكترون. تمكن العلماء من حل المعادلة في حالة ذرة الهيدروجين ، حيث تكون شحنة النواة +1. حصلوا على طاقة المدار ومسافة المدار عن النواة في نموذج بوهر ، وعرّفوها بأنها المسافة المحددة

$\ displaystyle a = a_ 0 / Z$

أين

$\ displaystyle a_ 0$

هو نصف قطر بوهر.

بشكل عام ، فإن حساب طاقة التأين n للذرة مع عدد الإلكترونات Z (وبالتالي البروتونات) يصبح أكثر صعوبة حيث تتفاعل الإلكترونات في غلاف الإلكترون مع النواة ومع الإلكترونات الخارجية وتصبح المشكلة أكثر صعوبة. لكنه موضوع جيد للدراسة ، ويتم إجراؤه بانتظام في الكيمياء الحاسوبية.

مواضيع ذات صلة[عدل]

• جهد التأين يساوي طاقة التأين مقسومة على شحنة الإلكترون.
• معادلة الشغل هي الطاقة المطلوبة لإزالة إلكترون من مادة صلبة.
• أيون.
• نظرية كوبمان

المرجعي[عدل]

• بوابة الكيمياء الفيزيائية
• بوابة ميكانيكا الكم
• بوابة الكيمياء
• بوابة الفيزياء
• بوابة الطاقة

تم الاسترجاع من «https://en.wikipedia.org/w/index.php؟title=ionization_energy&oldid=57203941»