Home  / Учебник ОБЩАЯ ХИМИЯ / Глава 2. Атомная Структура / Экспериментальные данные по энергии ионизации

Экспериментальные данные по энергии ионизации

Благодаря экспериментальным данным мы знаем энергии ионизации (ЭИ) для всех электронов в элементе. В схемах, представленных на рисунках 2.3. - 2.6. (см. далее) мы видим логарифмическую зависимость энергии, требуемой для последовательного извлечения электронов из атомов Ве, В, N, Са. На этих графиках использована логарифмическая шкала, что позволяет представлять его более компактно.  

Рисунок 2.3. Энергия ионизации (ЭИ) бериллия от номера ЭИ  

Рисунок 2.4. Энергия ионизации (ЭИ) бора от номера ЭИ

Рисунок 2.5. Энергия ионизации (ЭИ) азота от номера ЭИ

Рисунок 2.6. Энергия ионизации (ЭИ) кальция от номера ЭИ

Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, распределены по слоям, которые называют также электронными уровнями или оболочками. Электроны, расположенные на графиках на прямой линии, принадлежат одному электронному слою. Электроны одного уровня расположены приблизительно на одинаковом расстоянии от ядра. Поэтому в ходе последующих отрывов электронов (в результате ионизации) ЭИ для каждого следующего электрона постепенно увеличивается, в то время как силы отталкивания между электронами одного уровня снижаются. Это происходит в соответствие с законами электростатики.
При переходе к следующему уровню, разница между ЭИ последующих электронов резко увеличивается. Это заметно по разнице ПЭИ среди элементов, которые были упомянуты ранее. Различие в ПЭИ между предыдущим и последующим элементами, стоящими в одном периоде, составляет менее 4 эВ. При формировании новой оболочки эта разница увеличивается до 16,46 эВ, что видно при сопоставлении ПЭИ последнего элемента второго  периода неона (Ne) и первого элемента третьего периода натрия (Na). В соответствие с данными по ЭИ, атомы Li, Be, B, C, N, O, F, Ne и Na содержат 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 1 электрон, соответственно, во внешней оболочке.
Изучение ЭИ (энергии, необходимой для отрыва электрона от атома) различных элементов позволяет узнать, как распределены электроны по электронным уровням в атоме. На первом ближайшем к ядру уровне находятся два электрона, а на  следующей оболочке может быть 8 электронов.
В соответствии с экспериментами количество электронов на наиболее отдаленной от ядра оболочке изменяется внутри периода таблицы элементов одновременно с  увеличением заряда ядра атома. Для элементов, несущих менее 20 электронов максимальное количество электронов на внешнем уровне равно 8. Значит, количество электронов на внешней оболочке при увеличении заряда ядра изменяется от 1 до 8 внутри периода (см. рис. 2.2).
Многоуровневая структура электронного облака, окружающего ядро, и изменение количества электронов в наружной оболочке на протяжении периода объясняется тем фактом, что в ходе постепенного увеличения количества электронов  силы отталкивания между электронами начинают превышать силы притяжения электронов к ядру, и тогда удержание электронов на внешней оболочке требует дополнительной энергии.

С увеличение заряда ядра и количества электронов растет  потенциальная энергия системы за счет сил притяжения электронов к ядру с более высоким зарядом и падает за счет сил межэлектронного отталкивания. Когда количество электронов превышает 8 (для 2-го и 3-го периодов) бóльший выигрыш в энергии будет в системе, если электроны начнут заполнять новый внешний электронный слой. При этом выигрыш в энергии будет значительно меньше, чем во всех последующих случаях (при заполнении этого электронного слоя). 

Теперь давайте посмотрим, какова зависимость между зарядом ядра  и энергией системы для водородоподобных атомов (содержит один электрон, заряды ядра разные), найденная экспериментальным путем и теоретически.

Экспериментально найденная зависимость энергии ионизации атома от заряда ядра хорошо описывается уравнением:

      Е_z=Е_H^.Z² ,                                                                                                        (2.9)

где Е_z - энергия ионизации водородоподобного атома с зарядом ядра Z; Е_H - энергия ионизации атома водорода.  Расхождения между экспериментальными  и расчетными значениями (см. таблицу 1) не превышает 0,1%, что свидетельствует о точности уравнения.

Энергия гелиеподобных атомов может быть найдена по  уравнению (подробное описание получения  формулы можно посмотреть в работе В.Ю.Ганкина и Ю.В.Ганкина "Как образуется химическая связь и протекают химические реакции"):

      E_n=2 E_H^.(Z_n-0,25)²                                                                           (2.10)

где E_H-энергия атома водорода; Z_n- заряд ядра соответствующего гелиеподобного атома.
Расчетные данные, полученные с помощью этого уравнения,  приведенные в таблице 2. Мы видим, что расхождения являются постоянным фактором и закономерно снижаются от 6,2 до 1,4 %  при увеличении заряда ядра от 1 до 8.