الرئيسيةبحث

طاقة تأين

طاقة التأين لذرة (Ionization Energy IE) هى الطاقة اللازمة لنزع إلكترون منها . وبتعميم أكثر ، تكون طاقة التأين ن هى طاقة نزع الإلكترون ن بعد نزع الإلكترونات ن-1 . وطاقة التأين ذات اهمية كبيرة في الكيمياء الفيزيائية نظرا لأنها مقياس لمقدار إذعان الذرة لفقد الإلكترونات ، أو بمعنى اخر القوة التى يتم إمساك الإلكترون بها .

فهرس

القيم والإتجاهات

بصفة عامة ، فإن طاقة التأين تقل خلال المجموعة بالجدول الدوري و تزيد من اليمين لليسار خلال الدورةوذلك بسبب زيادة العدد الذري مما يؤدي إلى زيادة الشحنة النووية الفعالة (الشحنة النووية الفعالة = شحنة النواة - معامل الحجب) فزيادة العدد الذري يؤدي إلى زيادة عدد البروتونات في النواة مما يؤدي إلى زيادة جذب الذرة لالكترونات المستويات الخارجية فتزداد الطاقة اللازمة لنزع الالكترون فتزداد طاقة التأين. كما أن طاقة التأين تتناسب عكسيا بشدة مع نصف القطر الذري فكلما ازداد نصف القطر الذري زاد بعد الكترونات المستويات الخارجية عن النواة وقل جذب النواة لها فيسهل نزعها من الذرة فتقل طاقة التأين اللازمة. كما أن هناك زيادة كبيرة في طاقة التأين بعد نفاذ أى مستوى فرعى للمدارات الذرية . وهذا لأنه بعد انتقال الإلكترونات من مدار معين ، فإن طاقة التأين تتضمن إزالة إلكترون من مدار أقرب للذرة . وتكون الإلكترونات الموجودة في مدارات قريبة لها قوى جذب كهرستاتيكية أكبر ، وعلى هذا تتطلب طاقة أكبر لتحريكها .

بعض قيم طاقة التأين للدورة الثالثة في الجدول التالي :

طاقة التأين كيلو جول لكل مول (وحدة)
العنصر الأولى الثانية الثالثة الرابعة الخامسة السادسة السابعة
Na 496 4,560
Mg 738 1,450 7,730
Al 577 1,816 2,744 11,600
Si 786 1,577 3,228 4,354 16,100
P 1,060 1,890 2,905 4,950 6,270 21,200
S 999 2,260 3,375 4,565 6,950 8,490 11,000
Cl 1,256 2,295 3,850 5,160 6,560 9,360 11,000
Ar 1,520 2,665 3,945 5,770 7,230 8,780 12,000

التفسير الكهر ستاتيكي

يمكن توقع طاقات التأين بإستخدام تحليل بسيط عن طريق الجهد الكهرستاتيكي ونموذج بور للذرة كالتالي :

بإفتراض إلكترون له طاقة e- ، وأيون له شحنة ne+ ، حيث n هى عدد الألكترونات المفقودة من الأيون . وطبقا لنموذج بور ، حيث سيقوم الإلكترون بالإقتراب والإرتباط بالذرة ، فسوف يكون على بعد نصف قطر a . ويكون الجهد الكهرستاتيكي على مسافة a من نصف القطر الأيوني ، يرجع لنقطة محددة على بعد :

V = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{ne}{a} \,\!

وحيث ان الإلكترون له شحنة سالبة ، ومسحوب ناحية الجهد الموجب . ( وقيمة هذا الجهد يسمى جهد التأين ) والطاقة اللازمة له ليقفز ويترك الذرة هى :

E = eV = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{ne^2}{a} \,\!

وهذا التحليل البسيط غير كامل ويترك المسافة a غير معروفة . ويمكن ان يكون أكثر دقة بتحديد هذه المسافة لكل إلكترون في العناصر الكيميائية ، وعلى هذا تتطابق العلاقة مع التجارب العملية .

التفسير طبقا لميكانيكا الكم

طبقا لنظرية ميكانيكا الكم ذات التعقيد الأكثر ، فإن مكان الإلكترون يتم وصفه كسحابه للأماكن المتوقع وجوده فيها ( بالتحديد مدار إلكتروني ) والتى تتراوح بالقرب والبعد من النواة . ويمكن حساب الطاقة بتكامل هذه السحابة ، ويكون أبسط شكل لأخر طاقة تأين كالتالي :

E = -\int \psi^* (\mathbf{r}) H \psi(\mathbf r ) d^3 \mathbf r

حيث H الهاملتونية (ميكانيكا كم) ، ψ هى المعادلة الموجية للحالة الأرضية ، حيث أن الدالة الذاتية لل H لأقل طاقة . وبالوحدات الذرية فإن H تقريبا تكون :

H = -\frac{Z}{\left|\mathbf{r}\right|} - \frac{1}{2} \nabla^2

حيث ان Z هى الشحنة النووية . وبوجود الهماملتونية فإن الطاقة يمكن حسابها بسهولة ، وفى الواقع تكون مساوية للطاقة المعطاة في نموذج بور ، بالمسافة المحددة a = a0 / Z حيث a0 هى نصف قطر بور .

وبصفة عامة ، فإن حساب طاقة التأين ن تتطلب طرح طاقة النظام Z-n+1 من طاقة النظام Z-n . المعادلة الأولى بالأعلى تمتد لتتكامل مع تناسقات كل إلكترون ، والطاقة الثانية تتطلب كميتان إضافيتان لكل إلكترون ودفع الإلكترون وكمية لكل زوج من الإلكترونات . وحساب هذه الطاقات ليس سهل ، ولكنها موضوع جيد للدراسة ، ويتم بصفة منتظمة في الكيمياء الحسابية .

موضوعات متعلقة