Dlaczego Druga Energia Jonizacji Jest Większa Od Pierwszej

Dzień dobry wszystkim! Dzisiaj odpowiemy na bardzo częste pytanie, które pojawia się w chemii: dlaczego druga energia jonizacji jest zawsze większa niż pierwsza? Spróbujemy to zrozumieć bez wdawania się w bardzo skomplikowane obliczenia.

Zacznijmy od wyjaśnienia, czym w ogóle jest energia jonizacji. Wyobraźcie sobie atom jako mały układ słoneczny. W środku mamy jądro (jak Słońce), a wokół niego krążą elektrony (jak planety). Energia jonizacji to ilość energii, jaką musimy włożyć, żeby oderwać jeden elektron od tego atomu.

Pierwsza energia jonizacji (E1) to energia potrzebna do oderwania pierwszego elektronu od neutralnego atomu. Mamy atom – powiedzmy, sód (Na). Sód ma 11 elektronów. Jeśli chcemy usunąć jeden elektron z atomu sodu w stanie gazowym, musimy dostarczyć mu energię. Ta energia to właśnie pierwsza energia jonizacji sodu.

Teraz pomyślmy, co się dzieje, gdy już usuniemy jeden elektron. Sód staje się jonem Na+. Ma teraz 10 elektronów i ładunek dodatni. Chcemy teraz usunąć kolejny elektron, czyli oderwać go od jonu Na+. Do tego potrzebujemy drugiej energii jonizacji (E2).

I tu pojawia się kluczowe pytanie: dlaczego E2 jest zawsze większe od E1? Spróbujmy to sobie wyobrazić na kilka sposobów.

1. Ładunek jądra a liczba elektronów:

Wyobraźmy sobie, że jądro atomu to magnes, a elektrony to metalowe kulki. Magnes przyciąga kulki. Kiedy mamy neutralny atom, magnes przyciąga wszystkie kulki. Kiedy usuniemy jedną kulkę, magnes wciąż ma taką samą siłę, ale ma teraz mniej kulek do przyciągania. Zatem każda pozostała kulka jest przyciągana mocniej. Innymi słowy, efektywny ładunek jądra (czyli siła, z jaką jądro przyciąga elektrony) jest teraz większy, ponieważ jest mniej elektronów, które go ekranują. Dlatego usunięcie kolejnej kulki (elektronu) będzie wymagało użycia większej siły (energii).

2. Równowaga sił:

W neutralnym atomie istnieje pewna równowaga między siłą przyciągania jądra i siłą odpychania między elektronami. Elektrony odpychają się nawzajem, ponieważ wszystkie mają ładunek ujemny. Kiedy usuniemy jeden elektron, ta równowaga zostaje zaburzona. Siła odpychania między pozostałymi elektronami maleje, co oznacza, że są one przyciągane do jądra silniej. Dlatego oderwanie kolejnego elektronu jest trudniejsze.

3. Rozmiar jonu:

Kiedy atom traci elektron, staje się jonem dodatnim (kationem). Jony dodatnie są zazwyczaj mniejsze niż ich neutralne atomy. Dlaczego? Ponieważ elektrony są silniej przyciągane do jądra po usunięciu jednego z nich (jak wyjaśniliśmy wcześniej). Mniejszy rozmiar jonu oznacza, że elektrony są bliżej jądra, a więc trudniej je usunąć.

4. Konfiguracja elektronowa:

Konfiguracja elektronowa atomu (czyli sposób, w jaki elektrony są rozmieszczone na różnych poziomach energetycznych) ma ogromny wpływ na energię jonizacji. Atomy dążą do uzyskania stabilnej konfiguracji elektronowej, często takiej, jaką mają gazy szlachetne (np. neon, argon). Usunięcie elektronu z powłoki walencyjnej (czyli z najbardziej zewnętrznej powłoki) jest stosunkowo łatwe. Ale usunięcie elektronu z zamkniętej, wewnętrznej powłoki jest znacznie trudniejsze.

Wyobraźmy sobie, że mamy atom magnezu (Mg), który ma 12 elektronów. Jego konfiguracja elektronowa to 1s² 2s² 2p⁶ 3s². Dwie pierwsze energie jonizacji magnezu (E1 i E2) dotyczą usunięcia elektronów z powłoki 3s. To stosunkowo łatwe. Ale trzecia energia jonizacji (E3) wymaga usunięcia elektronu z powłoki 2p, która jest już zamknięta i bardziej stabilna. Dlatego E3 jest dużo większe niż E1 i E2.

Weźmy dla przykładu atom wodoru (H). Ma on tylko jeden elektron. Pierwsza energia jonizacji wodoru to energia potrzebna do usunięcia tego jednego elektronu. Co się stanie, jeśli spróbujemy usunąć drugi elektron? No cóż, atom wodoru ma tylko jeden elektron! Nie możemy usunąć czegoś, czego nie ma. To trochę absurdalny przykład, ale pokazuje, że koncepcja drugiej energii jonizacji ma sens tylko dla atomów, które mają co najmniej dwa elektrony.

Podsumowanie:

Druga energia jonizacji jest większa od pierwszej (i analogicznie, każda kolejna energia jonizacji jest większa od poprzedniej) z kilku powodów:

• Zwiększa się efektywny ładunek jądra.
• Zmniejsza się odpychanie między elektronami.
• Zmniejsza się rozmiar jonu.
• Usuwanie elektronów z zamkniętych powłok jest trudniejsze.

Mam nadzieję, że teraz jest to bardziej zrozumiałe. Pamiętajcie, że chemia to nauka, która wymaga trochę wyobraźni i myślenia analogiami. Jeśli wyobrazicie sobie atomy jako małe układy słoneczne, łatwiej będzie Wam zrozumieć, dlaczego oderwanie elektronu to nie taka prosta sprawa. I pamiętajcie, że im więcej elektronów usuniemy, tym trudniej będzie usunąć kolejny.