電離能

電離能

電離能是基態的氣態原子失去電子變為氣態陽離子(即電離),必須克服核電荷對電子的引力而所需要的能量。單位為kJ·mol-1(SI單位為J· mol-1)。對於多電子原子 , 處於基態的氣態原子生成 H +氣態陽離子所需要的能量, 稱為第一電離勢 ,常用符號 I1 表示 :M (g)——— M +(g)+e。第一電離勢 =I 1(1 可省去)。電離勢應該為正值因為從原子取走電子需要消耗能量。

基本介紹

  • 中文名:電離能
  • 外文名:Ionization Energy
  • 定義:原子失去電子變為離子所需的能量
  • 所屬類別:化學
  • 拼音:diàn lí néng
  • 涉及領域:化學 物理 
形成原因,原子性質,重要概念,區別聯繫,基本關係,原子軌道能,軌道能,電離電子,實例計算,電離能列表,第1到10電離能,第11到20電離能,第21到30電離能,

形成原因

在化學實踐中, 經常需要討論元素金屬性或非金屬性強弱的問題。我們衡量的標準是:對金屬元素而言,常依據它失電子能力的強弱,失電子能力強者則金屬性強, 反之則弱。顯然, 這只是定性的判斷, 那么, 在化學中定量的判斷是什麼呢? 由此,隨之產生了元素的電離能、電子親合能、電負性和電極電勢四個概念。本文將討論四者的聯繫與區別及作為定量判斷標準的依據。

原子性質

根據電離能和電子親合能的概念, 先討論元素游離態的原子的性質。化學工作者發現氣態氫原子的1S 電子,若得到13 .6ev 的能量, 將從基態躍遷到n=∞的高能級, 成為自由電子;氫原子失去一個電子變為正一價的氣態陽離子, 我們說氫的電離能(I1)為13 .6ev 。又如典型鹼金屬Na 的電離能為5 .139ev(I1),表示只需5 .139ev 的能量,Na原子將失去最外層的一個電子,變成金屬陽離子。而5 .139ev <13 .6ev ,可見Na 金屬性很強。相應的非金屬元素, 如氟的第1電離能為17 .422ev ,比氫I1還要大,且遠比Na 的I 1大,足以說明氟不可能顯金屬性,那么它的非金屬性有多強呢? 查表知氟的電子親合能為327 .9kJ .mol ,表示氟原子加合一個電子時,要放出327.9kJ.mol的能量, 即它得電子的能力很強,是典型的非金屬性元素。上面只是考察元素游離態原子的非金屬性與金屬性,但在化學實踐中,更多的要討論在分子環境中原子吸引電子能力的強弱, 這時就要用到電負性的概念。這個統一的標準可以把金屬元素與非金屬元素放到一起, 綜合考察它們的性質及在元素周期表中的遞變規律。前面提到的Na ,它的電負性為0 .9,而F 的電負性為4 .0,是所有元素中最大的,當然也是非金屬性最強的元素。又據鮑林標度大體規律, 金屬元素的電負性在~2.0以下,非金屬元素的電負性在~2.0以上。這樣判斷元素的這兩種性質有了統一尺度, 而且兩種不同元素間也有分界。
由此可見, 元素的金屬性和非金屬性與上述三者性質緊密結合在一起了。元素的電離能、電子親合能、電負性作為判斷元素金屬性與非金屬性的定量尺度發揮著重要作用。然而,上面是討論的氣態環境中元素的有關性質。那么,在水溶液中性質也相似嗎?化學理論產生於化學實踐。為了度量元素在水溶液中金屬性與非金屬性強弱, 我們又引入了元素電極電勢的概念。對於金屬元素, 如銅半電池的標準電極電勢為+0. 3419 V ,鋅半池的標準電極勢為-0 .7618 V ,顯然0 .3419 >(-0 .7618 V),即鋅比銅金屬性強。鋅的電極電勢比銅的電極電勢小得多,金屬鋅是較強的還原劑,而鋅離子能在溶液中較穩定地存在, 是弱氧化劑。相反, Cu 是比Zn 較強的氧化劑,而金屬銅是比金屬鋅更弱的還原劑。這樣,在水溶液中討論元素金屬性或非金屬性強弱就必須用到元素的電極電勢這個概念。
所以說,上述提到的四個概念在是兩種環境下(氣態環境和在水溶液中)考察元素金屬性與非金屬性強弱的重要的定量標準。

重要概念

2 .1 元素的電離能
對於多電子原子, 處於基態的氣態原子生成H 氣態陽離子所需要的能量,稱為第一電離勢,常用符號I1表示:
M (g)———M (g)+e第一電離勢=I1(1可省去)。電離勢應該為正值因為從原子取走電子需要消耗能量。元素的原子電離勢越小,表示氣態時越容易失去電子,即該元素在氣態時的金屬性越強。電離勢的數值大小主要取決於原子的有效核電荷,原子半徑以及原子的電子構型。一般來說, 同一周期的元素具有相同的電子層數,從左至右有效核電荷增大,原子的半徑減小,核對外層電子的引力加大。因此,越靠右的元素, 越不易失去電子, 電離勢也就越大,同一族元素電子層數不同,最外層電子數相同原子半徑增大起主要作用。因此, 半徑越大, 核對電子引力越小, 越易失去電子, 電離勢也就越小。電子構型是影響電離勢的第三個因素, 各周期中希有氣體元素的電離勢最大,部分原因是由於希有氣體元素的電子具有相對穩定的8 電子最外層構型。某些元素具有全充滿和半充滿的電子構型,穩定性也較高。如Zn (3d 4S ),Cd(4d 5S ),Hg(5d 6 S)比同周期相鄰元素的電離勢高。
2 .2 電子親合勢
當元素處於基態的氣態原子獲得一個電子成為負一價氣態陰離子時所放出的能量, 稱為該元素的第1 電子親合勢。電子親合勢越大, 該元素越容易獲得電子。金屬元素的電子親合勢都比較小, 說明金屬在通常情況下難於獲得電子形成負價陰離子。
早期的元素的電子親合勢數據不夠完整。94 年李國勝撰文提出電子親合勢A =az′/(r)nl+b(r )nl+Co.
該式表示, A同時與兩個常量z′/(r)nl及(r)nl相關, 而對同一元素, Z′/(r)nl與(r)nl間又有一定的制約關係。
其中, a, b, c表示常數, r為軌道半徑,n、l 為軌道的主量子數和角量子數。又Z′/(r)nl代表價電子平均核勢,(r)nl與核吸引能成反比, 在某種程度上則可反映電子間的排斥作用, 作為得電子能力標誌的電子親合能與這兩種因素相關, 從物理概念上是不難理解的。
A的周期性變化實際上代表了Z′/(r)nl與(r)nl周期性變化, 同元素的原子半徑, 電離能、電負性一樣, 這種根本原因在於元素電子層結構的周期性變化。而Z′/(r)nl及(r)nl似乎更與這種微觀電子結構聯繫起來。
2 .3 元素的電負性
物質發生化學反應時, 是原子的外層電子在發生變化。原子對電子吸引能力不同, 是造成元素化學性質有差別的本質原因, 元素的電負性的概念, 就是用來表示元素相互化合時,原子在分子中吸引成鍵電子對的相對能力。因此鮑林定義電負性為“電負性是元素的原子在分子中吸引電子的能力”指定H的電負性為2 .1,求出了其它元素的相對電負性。
在周期表中每一周期元素從左到右電負性都是隨著原子序數增加而逐漸變大;對於每一族的某些主族元素, 從下到上隨著原子半徑的減小而增大。這樣一來,除了稀有氣體,電負性最高的元素是周期表中右上方的氟(4.0), 電負性最低的元素是周期表中左下方的銫和鍅(0.7), 一般來說,金屬元素的電負性在2 .0以下,非金屬元素的電負性在2 .0 以上。
2 .4 元素的電極電勢
對於金屬元素而言,其電極電勢是處於基態的原子與水溶液中的水合離子的電勢差。它的大小取決於金屬原子離子化的傾向及其它因素。由金屬晶體到水合離子有三個過程:一、金屬由固態轉變為氣態原子, 其升華熱為S ;二、金屬氣態原子失去電子,變成氣態離子, 電離能為IA;三、金屬氣態離子M氣變為水合離子M水合,水合熱為Q水合。
假想金屬進入溶液中的狀態直接為氣態原子,不考慮其狀態變化。這樣,在水溶液中只存在金屬氣態原子和水合離子。已知金屬晶體裡有金屬陽離子和公共化電子, 當把金屬放到含有該金屬離子的鹽溶液時, 有兩種反應傾向存在:一方面,金屬表面的離子進入溶液和水分子結合成為水合離子;另一方面,溶液中的水合離子有從金屬表面獲得電子,沉澱到金屬上的傾向。這裡,也存在一個電子轉移的過程和在以水為介質,金屬原子與離子相互作用的過程。
因此,常用元素的電極電勢高低來比較金屬性或非金屬性強弱。如上文提到的銅半電池的標準電極電勢為+0.3419V,鋅半電池的標準電極電勢為-0.7618V。顯然, 鋅半電池的電極電勢小於銅的, 因此說在溶液中鋅比銅金屬性強, 鋅易失電子, 被氧化, 成為金屬陽離子。在元素周期表中,電極電勢雖然規律性不那么明顯, 但也能反映元素金屬性和非金屬性的遞變。

區別聯繫

四者雖然都是元素金屬性和非金屬性的量度, 但它們之間是有區別的。前三者是衡量原子得失電子能力大小的難易程度,即孤立原子電子結構穩定性大小的標誌,而後者(電極電勢)則是物質在水溶液中得失電子、形成水合離子趨勢的量度。根據波恩—哈伯循環,有反應:M(aq)+e →M (s)。電離能只是電極反應過程中能量的一部分。一般說來電離能大,電子親合能也大,但電極電勢是否越正,還要看水合能大小。在周期表中, 隨著原子結構的周期性變化,四者呈現周期化變化,電極電勢雖然受影響因素較多,規律性不那么明顯,但四者所判斷的元素的金屬性和非金屬性變化規律基本一致。那么周期系中金屬性和非金屬性一般規律如何呢? 其中, 稀有氣體元素的原子最外層電子是全充滿的有最穩定的結構,因此無論失去或獲得電子都很困難 ,電離能最大,電子親合能為 0 , 電極電勢難以測定。再看其它元素,同一周期從左至右 :四者的數值是逐漸增大, 金屬性變弱 ;同一主族從上至下 ;四者的數值是逐漸變小, 金屬性變強。而非金屬性變化規律反之。

基本關係

原子軌道能

我們只考慮被討論電子在其它各電子的禁止下所處軌道的能量狀態,而與其它電子的能量無關.被討論電子所處軌道的能量,一方面受核電荷的吸引,使能量降低,同時又受內層或同層能量相近的其它電子的禁止,又增加了勢能,使能量升高;另一方面,當被討論電子所處軌道的主量子數n>3時,電子波鑽人內層的幾率小峰逐次增多,使電子的平均能量相應降低了,相當於使主量子數部分地減小了.如果說有效核電荷來自禁止效應,那么有效主量子數就來自鑽穿效應.因而對多電子原子或離子的軌道能就需要用有效核電荷Z斧和有效主量子數n`進行計算.從計算實例還看到,我們在套用徐光憲改進的:alet:法計算碳原子23軌道能量時,不但考慮了1:電子對2`電子禁止以及兩個2`電子之間的相互禁止,而且還考慮了能量相近的Zp電子對2:電子的禁止,這種處理顯然是更加切合實際的.這裡需要注意的是:在具體計算時必須套用同一套禁止常數和主量子數.

軌道能

我們不難體會到,原子軌道能實際上就是運動在該軌道上的單個電子的能量.由於運動在簡併軌道上的各電子的能量是相等的,所以簡併軌道中電子的總能量就等於軌道能與電子數之乘積.

電離電子

電離能和電子親合能分別是指每摩爾氣態原子或離子電離或接收1摩爾電子時體系能量的變化值,而原子或離子體系的能量又完全體現在原子或離子中所含電子的總能量上,所以在計算電離能或電子親合能時,必須首先分別計算出變化前後原子或離子體系的能量之後,才可計算電離能或電子親合能.

實例計算

碳原子第一電離能是1103.7kJ/mol,第一電子親合能是95.7kJ/mol,而碳原子Zp軌道能的負值則為2932.4kJ/moI,+1價碳離子的Zp軌道能的負值為3571.9kJ/mol,一1價碳離子Zp軌道能的負值為2355.8kJ/mol,所以,電離能即不等於軌道能的負值,也不等於變化前後軌道能之差.
最後我們需要說明的是,不論用:later法或改進的:l以e:法進行計算,其結果與實驗值之間都存在一定偏差,這是因為我們所採用的禁止常數和有效主量子數都是間接總結出來的經驗值,但這並不影響我們對原子軌道能、電離能以及電子親合能的正確理解.

電離能列表

這是各種元素的電離能的列表,單位為kJ·mol-1

第1到10電離能

序號符號名稱第一電離能第二電離能第三電離能第四電離能第五電離能第六電離能第七電離能第八電離能第九電離能第十電離能
0
Nu
無電子
1
H
1312.0
2
He
2372.3
5250.5
3
Li
520.2
7298.1
11,815.0
4
Be
899.5
1757.1
14,848.7
21,006.6
5
B
800.6
2427.1
3659.7
25,025.8
32,826.7
6
C
1086.5
2352.6
4620.5
6222.7
37,831
47,277.0
7
N
1402.3
2856
4578.1
7475.0
9444.9
53,266.6
64,360
8
O
1313.9
3388.3
5300.5
7469.2
10,989.5
13,326.5
71,330
84,078.0
9
F
1681.0
3374.2
6050.4
8407.7
11,022.7
15,164.1
17,868
92,038.1
106,434.3
10
Ne
2080.7
3952.3
6122
9371
12,177
15,238
19,999.0
23,069.5
115,379.5
131,432
11
Na
495.8
4562
6910.3
9543
13,354
16,613
20,117
25,496
28,932
141,362
12
Mg
737.7
1450.7
7732.7
10,542.5
13,630
18,020
21,711
25,661
31,653
35,458
13
Al
577.5
1816.7
2744.8
11,577
14,842
18,379
23,326
27,465
31,853
38,473
14
Si
786.5
1577.1
3231.6
4355.5
16,091
19,805
23,780
29,287
33,878
38,726
15
P
1011.8
1907
2914.1
4963.6
6273.9
21,267
25,431
29,872
35,905
40,950
16
S
999.6
2252
3357
4556
7004.3
8495.8
27,107
31,719
36,621
43,177
17
Cl
1251.2
2298
3822
5158.6
6542
9362
11,018
33,604
38,600
43,961
18
Ar
1520.6
2665.8
3931
5771
7238
8781
11,995
13,842
40,760
46,186
19
K
418.8
3052
4420
5877
7975
9590
11,343
14,944
16,963.7
48,610
20
Ca
589.8
1145.4
4912.4
6491
8153
10,496
12,270
14,206
18,191
20,385
21
Sc
633.1
1235.0
2388.6
7090.6
8843
10,679
13,310
15,250
17,370
21,726
22
Ti
658.8
1309.8
2652.5
4174.6
9581
11,533
13,590
16,440
18,530
20,833
23
V
650.9
1414
2830
4507
6298.7
12,363
14,530
16,730
19,860
22,240
24
Cr
652.9
1590.6
2987
4743
6702
8744.9
15,455
17,820
20,190
23,580
25
Mn
717.3
1509.0
3248
4940
6990
9220
11,500
18,770
21,400
23,960
26
Fe
762.5
1561.9
2957
5290
7240
9560
12,060
14,580
22,540
25,290
27
Co
760.4
1648
3232
4950
7670
9840
12,440
15,230
17,959
26,570
28
Ni
737.1
1753.0
3395
5300
7339
10,400
12,800
15,600
18,600
21,670
29
Cu
745.5
1957.9
3555
5536
7700
9900
13,400
16,000
19,200
22,400
30
Zn
906.4
1733.3
3833
5731
7970
10,400
12,900
16,800
19,600
23,000
31
Ga
578.8
1979.3
2963
6180
32
Ge
762
1537.5
3302.1
4411
9020
33
As
947.0
1798
2735
4837
6043
12,310
34
Se
941.0
2045
2973.7
4144
6590
7880
14,990
35
Br
1139.9
2103
3470
4560
5760
8550
9940
18,600
36
Kr
1350.8
2350.4
3565
5070
6240
7570
10,710
12,138
22,274
25,880
37
Rb
403.0
2633
3860
5080
6850
8140
9570
13,120
14,500
26,740
38
Sr
549.5
1064.2
4138
5500
6910
8760
10,230
11,800
15,600
17,100
39
Y
600
1180
1980
5847
7430
8970
11,190
12,450
14,110
18,400
40
Zr
640.1
1270
2218
3313
7752
9500
41
Nb
652.1
1380
2416
3700
4877
9847
12,100
42
Mo
684.3
1560
2618
4480
5257
6640.8
12,125
13,860
15,835
17,980
43
Tc
702
1470
2850
44
Ru
710.2
1620
2747
45
Rh
719.7
1740
2997
46
Pd
804.4
1870
3177
47
Ag
731.0
2070
3361
48
Cd
867.8
1631.4
3616
49
In
558.3
1820.7
2704
5210
50
Sn
708.6
1411.8
2943.0
3930.3
7456
51
Sb
834
1594.9
2440
4260
5400
10,400
52
Te
869.3
1790
2698
3610
5668
6820
13,200
53
I
1008.4
1845.9
3180
54
Xe
1170.4
2046.4
3099.4
55
Cs
375.7
2234.3
3400
56
Ba
502.9
965.2
3600
57
La
538.1
1067
1850.3
4819
5940
58
Ce
534.4
1050
1949
3547
6325
7490
59
Pr
527
1020
2086
3761
5551
60
Nd
533.1
1040
2130
3900
61
Pm
540
1050
2150
3970
62
Sm
544.5
1070
2260
3990
63
Eu
547.1
1085
2404
4120
64
Gd
593.4
1170
1990
4250
65
Tb
565.8
1110
2114
3839
66
Dy
573.0
1130
2200
3990
67
Ho
581.0
1140
2204
4100
68
Er
589.3
1150
2194
4120
69
Tm
596.7
1160
2285
4120
70
Yb
603.4
1174.8
2417
4203
71
Lu
523.5
1340
2022.3
4370
6445
72
Hf
658.5
1440
2250
3216
73
Ta
761
1500
74
W
770
1700
75
Re
760
1260
2510
3640
76
Os
840
1600
77
Ir
880
1600
78
Pt
870
1791
79
Au
890.1
1980
80
Hg
1007.1
1810
3300
81
Tl
589.4
1971
2878
82
Pb
715.6
1450.5
3081.5
4083
6640
83
Bi
703
1610
2466
4370
5400
8520
84
Po
812.1
85
At
899.003
86
Rn
1037
87
Fr
380
88
Ra
509.3
979.0
89
Ac
499
1170
1900
4700
90
Th
587
1110
1978
2780
91
Pa
568
1128
1814
2991
92
U
597.6
1420
1900
3145
93
Np
604.5
1128
1997
3242
94
Pu
584.7
1128
2084
3338
95
Am
578
1158
2132
3493
96
Cm
581
1196
2026
3550
97
Bk
601
1186
2152
3434
98
Cf
608
1206
2267
3599
99
Es
619
1216
2334
3734
100
Fm
627
1225
2363
3792
101
Md
635
1235
2470
3840
102
No
642
1254
2643
3956
103
Lr
470
1428
2228
4910
104
Rf
579.9
1389.4
2296.4
3077.9
105
Db
664.8
1546.7
2378.4
3298.8
4305.2
106
Sg
757.4
1732.9
2483.5
3415.6
4561.8
5715.8
107
Bh
742.9
1688.5
2566.5
3598.9
4727.8
5991.7
7226.8
108
Hs
733.3
1756.0
2827.0
3637.5
4940.0
6175.1
7535.5
8857.4
109
Mt
800.8
1823.6
2904.2
3859.4
4920.8
110
Ds
955.2
1891.1
3029.6
3955.9
5113.7
111
Rg
1022.7
2074.4
3077.9
4052.4
5306.7
112
Cn
1154.9
2170.0
3164.7
4245.4
5499.7
113
Nh
704.9
2238.5
3023.3
4351.5
5692.6
114
Fl
823.9
1601.6
3367.3
4399.7
5847.0
115
Mc
538.4
1756.0
2653.3
4679.5
5721.6
116
Lv
723.6
1331.5
2846.3
3811.2
6078.6
117
Ts
742.9
1785.0–
1920.1
118
Og
839.4
1563.1
119
Uue
463.1
1698.1
120
Ubn
578.9
895.4–
918.5
121
Ubu
429.4
122
Ubb
540.4
1090.4
1968.5
2618.9

第11到20電離能

原子序符號名稱11th12th13th14th15th16th17th18th19th20th
11
Na
159,076
12
Mg
169,988
189,368
13
Al
42,647
201,266
222,316
14
Si
45,962
50,502
235,196
257,923
15
P
46,261
54,110
59,024
271,791
296,195
16
S
48,710
54,460
62,930
68,216
311,048
337,138
17
Cl
51,068
57,119
63,363
72,341
78,095
352,994
380,760
18
Ar
52,002
59,653
66,199
72,918
82,473
88,576
397,605
427,066
19
K
54,490
60,730
68,950
75,900
83,080
93,400
99,710
444,880
476,063
20
Ca
57,110
63,410
70,110
78,890
86,310
94,000
104,900
111,711
494,850
527,762
21
Sc
24,102
66,320
73,010
80,160
89,490
97,400
105,600
117,000
124,270
547,530
22
Ti
25,575
28,125
76,015
83,280
90,880
100,700
109,100
117,800
129,900
137,530
23
V
24,670
29,730
32,446
86,450
94,170
102,300
112,700
121,600
130,700
143,400
24
Cr
26,130
28,750
34,230
37,066
97,510
105,800
114,300
125,300
134,700
144,300
25
Mn
27,590
30,330
33,150
38,880
41,987
109,480
118,100
127,100
138,600
148,500
26
Fe
28,000
31,920
34,830
37,840
44,100
47,206
122,200
131,000
140,500
152,600
27
Co
29,400
32,400
36,600
39,700
42,800
49,396
52,737
134,810
145,170
154,700
28
Ni
30,970
34,000
37,100
41,500
44,800
48,100
55,101
58,570
148,700
159,000
29
Cu
25,600
35,600
38,700
42,000
46,700
50,200
53,700
61,100
64,702
163,700
30
Zn
26,400
29,990
40,490
43,800
47,300
52,300
55,900
59,700
67,300
171,200
36
Kr
29,700
33,800
37,700
43,100
47,500
52,200
57,100
61,800
75,800
80,400
38
Sr
31,270
39
Y
19,900
36,090
42
Mo
20,190
22,219
26,930
29,196
52,490
55,000
61,400
67,700
74,000
80,400

第21到30電離能

原子序符號名稱21st22nd23rd24th25th26th27th28th29th30th
21
Sc
582,163
22
Ti
602,930
639,294
23
V
151,440
661,050
699,144
24
Cr
157,700
166,090
721,870
761,733
25
Mn
158,600
172,500
181,380
785,450
827,067
26
Fe
163,000
173,600
188,100
195,200
851,800
895,161
27
Co
167,400
178,100
189,300
204,500
214,100
920,870
966,023
28
Ni
169,400
182,700
194,000
205,600
221,400
231,490
992,718
1,039,668
29
Cu
174,100
184,900
198,800
210,500
222,700
239,100
249,660
1,067,358
1,116,105
30
Zn
179,100
36
Kr
85,300
90,400
96,300
101,400
111,100
116,290
282,500
296,200
311,400
326,200
42
Mo
87,000
93,400
98,420
104,400
121,900
127,700
133,800
139,800
148,100
154,500

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