Năng lượng ion hóa là gì? So sánh năng lượng ion hóa

Tổng hợp khái niệm năng lượng ion hóa và cách so sánh năng lượng ion hóa của nguyên tử. Đây là tài liệu hữu ích vận dụng để giải các bài tập hóa học 10.

1. Năng lượng ion hóa là gì?

Năng lượng ion hóa ( E i) được định nghĩa một cách định tính là lượng năng lượng cần thiết để loại bỏ electron liên kết lỏng lẻo nhất, electron hóa trị, của một nguyên tử khí bị cô lập để tạo thành cation. 

Đây là năng lượng tối thiểu cần thiết để tạo ra một cation bằng cách tách một electron khỏi nguyên tử khí hoặc nhóm nguyên tử ở trạng thái ổn định nhất (trạng thái mặt đất) thành vô cực. Do đó, các nguyên tử có năng lượng ion hóa thấp hơn có xu hướng trở thành cation. Khi điều này được biểu thị bằng đơn vị điện tử vôn eV, nó được gọi là điện thế ion hóa hoặc điện áp ion hóa. Độ lớn của năng lượng ion hóa của một nguyên tử bị chi phối bởi cấu hình electron của lớp vỏ ngoài cùng và điện tích hạt nhân hiệu dụng. Các nguyên tử có khả năng trở thành cation, và các nguyên tử halogen và khí hiếm ít có khả năng trở thành cation). Trong trường hợp các nguyên tố thuộc cùng một nhóm, năng lượng ion hóa giảm khi số nguyên tử tăng. Thuật ngữ năng lượng ion hóa đôi khi được sử dụng để ion hóa trong một dung dịch như dung dịch nước. Tuy nhiên, trong trường hợp này, giá trị nhỏ hơn bởi năng lượng hòa tan (nhiệt của hydrat hóa) so với giá trị trong pha khí.

- Năng lượng được giải phóng khi các nguyên tử và electron trung tính tách ra vô hạn để tạo thành anion là Ái lực điện tử Đây là thước đo mức độ dễ dàng của một anion của một nguyên tử.

- Còn được gọi là: tiềm năng ion hóa, IE, IP, ΔH

- Đơn vị : Năng lượng ion hóa được tính bằng đơn vị kilojoule trên mol (kJ/mol) hoặc electron vôn (eV).

2. Cách sắp xếp năng lượng ion hóa

Sự ion hóa, cùng với bán kính nguyên tử và ion, độ âm điện, ái lực của điện tử và tính kim loại, tuân theo một xu hướng trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.

- Năng lượng ion hóa nói chung tăng khi di chuyển từ trái sang phải trong một chu kỳ nguyên tố (hàng). Điều này là do bán kính nguyên tử nói chung giảm khi chuyển động trong một chu kỳ, do đó có lực hút hiệu dụng lớn hơn giữa các electron mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương. Độ ion hóa có giá trị nhỏ nhất đối với kim loại kiềm ở bên trái của bảng và cực đại đối với khí quý ở ngoài cùng bên phải của chu kỳ. Khí quý có vỏ hóa trị lấp đầy nên nó chống lại sự tách electron.

- Sự ion hóa giảm dần khi di chuyển từ trên xuống dưới của nhóm nguyên tố (cột). Điều này là do số lượng tử chính của electron lớp ngoài cùng tăng lên khi di chuyển xuống một nhóm. Có nhiều proton hơn trong nguyên tử di chuyển xuống một nhóm (điện tích dương lớn hơn), nhưng tác dụng là kéo các lớp vỏ electron vào, làm cho chúng nhỏ hơn và lọc các electron bên ngoài khỏi lực hấp dẫn của hạt nhân. Nhiều lớp vỏ electron được thêm vào di chuyển xuống một nhóm, do đó electron lớp ngoài cùng càng ngày càng xa hạt nhân.

3. So sánh năng lượng ion hóa

Xét 1 nguyên tử X:

- Năng lượng ion hóa thứ nhất: I₁: X → X⁺ + 1e

- Năng lượng ion hóa thứ hai: I₂: X⁺ → X²⁺ + 1e

- Năng lượng ion hóa thứ ba: I₃: X²⁺ → X³⁺ + 1e

=> I₁ < I₂ < I₃ < ....

Năng lượng ion hóa phụ thuộc vào: số lớp electron; điện tích hạt nhân; cấu hình electron của phân lớp ngoài cùng.

+ Trong 1 chu kì, khi bán kính R giảm, hạt nhân hút e mạnh hơn nên khó bứt e hơn=> I tăng

+ Nguyên tử, ion có cấu hình e ở phân lớp ngoài cùng bão hoà hoặc bán bão hoà có năng lượng ion hóa mạnh hơn.

Ví dụ: Na và Mg

Na: I1 = 495,8; I2 = 4562

Mg: I1= 737,7; I2 = 1451

- I1của Na nhỏ hơn Mg vì các e lớp ngoài cùng của Na và Mg đều thuộc phân lớp 3s, r(Na) > r(Mg) => lực hút giữa hạt nhân và electron lớp ngoài cùng của Na yếu hơn Mg nên Na dễ bứt e hơn Mg.

- I2 của Na> I2 của Mg vì:

+ Cấu hình e của Na⁺ là [Ne] , cấu hình bền của khí hiếm => cần năng lượng rất lớn để bứt e ra

+ Cấu hình electron của Mg⁺ là [Ne]3s¹, còn 1e ở phân lớp 3s => cần ít năng lượng để bứt e đó ra hơn so với cấu hình bền của Na⁺

4. Bài tập tính năng lượng ion hóa

Bài 1: Có hai nguyên tố K, Na. So sánh năng lượng ion hóa thứ nhất của K và Na?

Lời giải:

Ta có:

K có 6 lớp e, Na có 4 lớp e nên lực liên kết giữa e với hạt nhân của Na lớn hơn của K

→ Năng lượng ion hóa thứ nhất của K < năng lượng ion hóa thứ nhất của Na.

Bài 2: Trong các nguyên tố chu kỳ III: Na, Mg, Al, P, S, năng lượng ion hóa thứ nhất I của các nguyên tố trên tuân theo trật tự nào sau đây?

A. Na < Mg < Al < P < S.

B. Na < Al < Mg < S < P.

C. Na < Al < Mg < P < S.

D. S < P < Al < Mg < Na.

Lời giải:

Cấu hình electron của nguyên tử các nguyên tố là

Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ → Na thuộc chu kì 3, nhóm IA.

Mg: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² → Mg thuộc chu kì 3, nhóm IIA.

Al: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ → Al thuộc chu kì 3, nhóm IIIA.

P: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ → P thuộc chu kì 3, nhóm VA.

S: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ → S thuộc chu kì 3, nhóm VIA.

Trong một chu kì, đi từ trái sang phải, năng lượng ion hóa thứ nhất I tăng dần. Nhận thấy; Na, Mg, S cùng chu kì → năng lượng ion hóa thứ nhất Na < Mg < S.

Xét Al và Mg. Al có 1 electron độc thân, còn Mg thì không → việc tách 1electron của Al sẽ dễ dàng hơn

Mg → năng lượng ion hóa thứ nhất I1 Al < Mg.

Tương tự, xét S và P có 3e độc thân ở lớp ngoài cùng còn S có 1 cặp e và 2e độc thân → I1(S) < I1(P).

Vậy năng lượng ion hóa thứ nhất I tuân theo trật tự: Na < Al < Mg < S < P.

→ Chọn B.