电离能 – 定义、公式和影响因素

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什么是电离能？

原子中电子脱离原子核影响所需的最小能量称为电离能。换句话说，电子由于核力的作用而从原子或离子中移除所面临的困难程度称为电离能。因此，电离能衡量了电子在原子或离子中被束缚的强度或结合力。电离能有时也称为电离势。

或者，向孤立原子提供一定能量，将其最松散结合的价电子提取出来形成正原子或离子，这种能量被称为电离能。电离能以电子伏特 (eV)或kJ/mol为单位测量。

电离能基本上可以了解化学化合物的反应性，因此，我们可以用它来确定化学键的强度。电离能的测量使用放电管。

根据分子的电离情况，电离能可以分为以下两种类型：

• 绝热电离能
• 垂直电离能

对于任何原子 X，我们有以下关系：

$$\mathrm{X+电离能\rightarrow X^{+}+e^{-} }$$

玻尔原子模型和电离能

玻尔原子模型可以解释电离能。根据玻尔原子模型，原子具有多个路径，称为轨道，电子围绕原子核运动。每个轨道都与原子核保持固定距离，并代表固定的能量。因此，任何轨道中的电子都将具有该轨道的能量。然而，电子可以吸收能量并移动到下一个更高能量的轨道。如果电子有更多能量可以吸收，电子将离开原子。

电离能的计算

为了理解如何计算电离能，考虑一个由电子绕带正电的原子核旋转的原子。该电子由于库仑引力而与原子核结合，因此电子可以具有固定的能级。根据玻尔原子模型，该能量由下式给出：

$$\mathrm{E_{n}=-13.6\times \frac{Z^{2}}{n^{2}}\, \, eV=-\left (2.18 \times 10^{-18} \right )\times \frac{Z^{2}}{n^{2} }\:\:J/atom}$$

其中，Z 是原子序数，n 是轨道的数目。

电离能是从基态或最稳定状态将电子带到无穷远处所需的能量。因此，如果我们将无穷远处的参考值设为 0 eV，则电离能由下式给出：

$$\mathrm{IE = 0 - E(0)}$$

第一电离能和第二电离能

从中性原子中去除第一个电子所需的能量称为第一电离能。数值上，第一电离能等于电子的轨道能量，但符号相反。

从带正电的原子或离子中去除第二个电子所需的能量称为第二电离能。

需要注意的是，一旦第一个电子从原子中提取出来，其余电子上的静电吸引力就会增加。因此，去除第二个电子更加困难。因此，第二电离能将大于第一电离能。类似地，第三电离能大于第二电离能，依此类推。

元素周期表中的电离能

在元素周期表中，当我们从左到右穿过元素时，由于原子半径减小，电离能增加。因此，电子的电离能随着原子序数的增加而增加。

但是，当我们从上到下时，由于原子半径增加，电离能降低。

影响电离能的因素

以下是影响电离能的一些因素：

• 电离能受原子大小的影响，即电离能随着原子大小的增加而减小，反之亦然。

• 核电荷，即原子核上的电荷影响电离能。其中，核电荷越多，去除电子所需的电离能就越多。

• 要从具有稳定电子构型的原子中去除电子，需要更多的电离能。

• 由于库仑引力，从内层电子壳层中提取电子更加困难，因此需要更多的电离能。