Как найти энергию ионизации. Энергии ионизации

Химическая природа элемента обусловливается способностью его атома терять (отдавать) или приобретать электроны. Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома и его сродством к электрону.

Энергией ионизацииI называется количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома :

Э 0 + I ® Э + + е – или Э 0 ® Э + + е –

Энергию ионизации можно выражать в любых единицах, имеющих размерность энергии (например, в ккал/моль, в кДж/моль или эВ/атом). Чаще всего ее измеряют в электрон-вольтах. Значения энергии ионизации в эВ/атом численно равны потенциалам ионизации в В. Величина энергии ионизации восстановительной способности элемента .

Для всех периодов характерна закономерность: с увеличением заряда ядра возрастает энергия ионизации атомов (I), достигая максимума у инертного элемента. Например, для элементов 2-го периода энергия ионизации имеет следующие значения:

Э	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
I, эВ	5,392	9,323	8,298	11,260	14,534	13,618	17,423	21,565

Нетрудно видеть, что в периодах с ростом заряда ядра атома восстановительная способность элемента уменьшается; в периоде у каждого атома последующего элемента оторвать электрон с внешнего энергетического уровня труднее, чем у предыдущего, и наиболее трудно – у инертных газов.

Для много электронных атомов энергии ионизации I 1 , I 2 , I 3 … соответствует отрыву первого, второго, третьего и т.д. электронов. При этом всегда I 1 < I 2 < I 3 , т.к. увеличение числа оторванных электронов приводит к возрастанию положительного заряда образующегося иона. Например, для атома лития (Li)

I 1 < I 2 < I 3

На величину энергии ионизации существенное влияние оказывают два противоположных эффекта: эффект экранирования и эффект проникновения электронов к ядру.

Эффект экранирования заряда ядра обусловлен наличием в атоме между внешним электроном и ядром других электронов, которые экранируют, ослабляют воздействие на этот электрон положительного заряда ядра и тем самым ослабляют его связь с ядром. Понятно, что эффект экранирования возрастает с увеличением числа внутренних электронных слоев. Наиболее четко этот эффект проявляется в группах и подгруппах (с увеличением главного квантового числа).

Эффект проникновения электронов к ядру обусловлен тем обстоятельством, что согласно законам квантовой механики все электро-ны и даже внешние валентные определенное время могут находиться в области, близкой к ядру. Можно сказать поэтому, что внешние электро-ны проникают к ядру через слои внутренних электронов. При этом установлено, что концентрация электронной плотности у ядра (степень проникновения электронов) при одном и том же значении главного квантового числа наибольшая для s-электронов, меньше – для p-электронов, еще меньше – для d-электронов и т.д. Например, при n = 3 степень проникновения убывает в последовательности 3s > 3p > 3d.

Понятно, что эффект проникновения увеличивает прочность связи внешних электронов с ядром. Этим, в частности, определяется порядок заполнения в многоатомных атомах s-, p-, d-, f- … орбиталей при данном n.

Таким образом, вследствие более глубокого проникновения s-элек-троны в большей степени экранируют ядро, чем р-электроны, а последние сильнее, чем d-электроны и т.д.

Важным свойством элементов, которое сильно зависит от их орби-тальной конфигурации, является сродство к электрону e , представляющее собой изменение энергии, которым сопровождается присоединение электрона к нейтральному атому (к изолированному атому) с образованием отрицательного иона

Э 0 + е – ® Э – ± e.

Если присоединение к атому электрона с образованием отрицательного иона сопровождается выделением энергии, e имеет положительное значение. Если этот процесс требует затраты энергии, e – отрицательно.

Сродство к электрону выражается в тех же единицах, что и энергия ионизации, т.е. в эВ.

Наибольшим сродством к электрону обладают р-элементы VII группы. Наименьшее и даже отрицательное сродство к электрону имеют атомы с конфигурацией ns 2 (Be, Mg, Zn) и ns 2 np 6 (Ne, Ar, Kr) или с наполовину заполненным р-подслоем (N, P, As). Это служит дополнительным доказательством повышенной устойчивости указанных электронных конфигураций.

Сродство к электрону является мерой количественной оценки окислительной способности элемента .

Для всех периодов характерна закономерность: с увеличением заряда ядра возрастает сродство атомов к электрону. Видно, что в периодах с увеличением заряда ядра окислительная способность элементов увеличи-вается. Наибольшей окислительной способностью в периодической системе обладают элементы VII группы. В периоде атом каждого последующего элемента легче присоединяет электрон, чем предыдущий.

При оценке химических свойств элемента необходимо учитывать как энергию ионизации, так и сродство атома к электрону. Для сравнительной оценки восстановительных и окислительных свойств элемента введена особая характеристика, названная электроотрицательностью (ЭО).

Электроотрицательность

Электроотрицательность c – это способность атома данного элемента к оттягиванию на себя электронной плотности по химическим связям по сравнению с другими элементами в соединении . Очевидно, что эта способность зависит от энергии ионизации атома и его сродства к электрону. В 1934 г. Р. Малликен показал, что электроотрицательность можно связать с величиной, являющейся средней между сродством к электрону и энергией ионизации атома, т.е. электроотрицательность c может быть выражена как полусумма его энергии ионизации и сродства к электрону:

c = 1/2(I + e) или ЭО = 1/2(I + e)

Например,

ЭО Li =1/2(5,392 + 0,59) = 2,991 эВ

ЭО F = 1/2(17,423 + 3,45) = 10,4365 эВ

В настоящее время имеется около 20 шкал электроотрицательности, в основу расчета которых положены разные свойства элементов и образуемых ими веществ. В связи с этим и в целях удобства вместо абсолютных значений электроотрицательности элементов используют значения относительной электроотрицательности (ЭОЭ). При этом электроотрицательность лития принимается за единицу, и по отношению к ней вычисляется ОЭО всех элементов. Например, элементы 2-го периода имеют следующие значения ОЭО:

Li	Be	B	C	N	O	F
1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0

Приведенные значения ОЭО элементов полезно запомнить, и сделать это нетрудно – у каждого последующего элемента 2-го периода значение ОЭО возрастает на 0,5.

Для всех периодов характерна закономерность: с увеличением заряда ядра атома электроотрицательность элементов возрастает, достигает максимума у галогенов .

Выводы по закономерностям в периодах.

На основании рассмотренных свойств элементов в периодах наблюдается следующие общие закономерности:

1. Уменьшаются атомные объемы (т.к. уменьшаются орбитальные радиусы).

2. Увеличиваются значения энергии ионизации, сродства к электрону и ОЭО.

3. Изменение свойств элементов происходит от ярко выраженных восстановителей (ns 1-2 – элементы) к ярко выраженным окислителям (np 5-4 – эле-менты).

4. В малых периодах (1, 2, 3) наблюдаются более резкое различие свойств элементов, чем в больших. Так, в I периоде изменение свойств от ярко выраженных восстановительных свойств к ярко выраженным окислитель-ным свойствам осуществляется в одном элементе – водороде, проявляю-щем как восстановительные, так и окислительные свойства:

Н 0 – ® Н + восстановительные свойства;

Н 0 + ® Н – окислительные свойства.

У элементов 2 периода переход восстановительных свойств к окислительным наблюдается уже на семи элементах.

В больших периодах изменение химических свойств элементов происходит более плавно. Это объясняется тем, что в больших периодах (4, 5, 6, 7) происходит заполнение внутренних энергетических уровней (d- и f- подуровней), а на внешнем энергетическом уровне у них остается один или два электрона.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева подразделяется на 8 групп.

Группа – это вертикальный ряд элементов с одинаковым числом валентных электронов, но с различным числом энергетических уровней в атомах .

Наиболее характерным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, а неметаллы, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов. Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, называемую энергией ионизации.

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

Энергию электрона часто выражают в электронволътах (эВ). 1 эВ - энергия, которую приобретает электрон в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов IB (1 эВ = 1,6 10“ 19 Дж; в расчете на 1 моль это соответствует энергии 96,5 кДж/моль).

Энергия ионизации, выраженная в элсктронвольтах, численно равна потенциалу ионизации, выраженному в вольтах.

При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потенциале ионизации (энергия отрыва от атома первого электрона), втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона) и т.д. По мере последовательного удаления электронов от атома положительный заряд образующегося иона возрастает. Поэтому для отрыва каждого следующего электрона требуется большая затрата энергии, иначе говоря, последовательные потенциалы ионизации атома возрастают (табл. 3).

Данные табл. 3 показывают, что от атома лития сравнительно легко отрывается один электрон, от атома бериллия - два, от атома бо-

Последовательные потенциалы ионизации атомов некоторых элементов второго периода

Таблица 3

Элемент	Потенциал ионизации, В
	первый	второй	третий	четвертый	пятый
Литий
Бериллий
Углерод

ра - три, от атома углерода - четыре. Отрыв же последующих электронов требует гораздо большей затраты энергии. Это соответствует нашим представлениям о строении рассматриваемых атомов. Действительно, у атома лития во внешнем электронном слое размещается один электрон, у атома бериллия - 2, бора - 3, углерода - 4. Эти электроны обладают более высокой энергией, чем электроны предшествующего слоя, и поэтому их отрыв от атома требует сравнительно небольших энергетических затрат. При переходе же к следующему электронному слою энергия ионизации резко возрастает.

Величина потенциала ионизации может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.

Рассмотрим с этой точки зрения, как изменяются первые потенциалы ионизации с увеличением атомного номера у атомов одной и той же подгруппы периодической системы (табл. 4). Как видно, с увеличением порядкового номера элемента потенциалы ионизации уменьшаются, что свидетельствует об усилении металлических и соответственно ослаблении неметаллических свойств.

Таблица 4

Первые потенциалы ионизации (в В) атомов элементов некоторых главных подгрупп

I группа		II группа		III группа		IV группа

Эта закономерность связана с возрастанием радиусов атомов, о котором говорилось в § 33. Кроме того, увеличение числа промежуточных электронных слоев, расположенных между ядром атома и внешними электронами, приводит к более сильному экранированию ядра, т.е. к уменьшению его эффективного заряда. Оба эти фактора (растущее удаление внешних электронов от ядра и уменьшение его эффективного заряда) приводят к ослаблению связи внешних электронов с ядром и, следовательно, к уменьшению потенциала ионизации.

У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к благородному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Поэтому потенциал ионизации постепенно увеличивается, а металлические свойства ослабевают. Иллюстрацией

Первые потенциалы ионизации (в В) атомов элементов второго и третьего периодов

Таблица 5

этой закономерности могут служить первые потенциалы ионизации элементов второго и третьего периодов (табл. 5).

Из данных табл. 5 видно, что общая тенденция к возрастанию энергии ионизации в пределах периода в некоторых случаях нарушается. Так, потенциалы ионизации атомов бериллия и азота выше, чем атомов следующих за ними элементов бора и кислорода; аналогичное явление наблюдается и в третьем периоде при переходе от магния к алюминию и от фосфора к сере. При этом повышенные значения потенциалов ионизации наблюдаются либо у атомов с целиком заполненным внешним энергетическим подуровнем (бериллий и магний)

либо у атомов, у которых внешний энергетический подуровень заполнен ровно наполовину, так что каждая орбиталь этого подуровня занята одним электроном (азот и фосфор)

Эти и подобные факты служат экспериментальным основанием уже упоминавшегося в § 32 положения, согласно которому электронные конфигурации, соответствующие полностью или ровно наполовину занятым подуровням, обладают повышенной энергетической устойчивостью.

Как отмечалось выше, атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к свободному атому, называется сродством атома к электрону. Сродство к электрону, как и энергия ионизации, обычно выражается в электронвольтах. Так, сродство к электрону атома водорода равно 0,75 эВ, кислорода - 1,47 эВ, фтора - 3,52 эВ.

Сродство к электрону атомов металлов, как правило, близко к нулю или отрицательно; из этого следует, что для атомов большинства металлов присоединение электронов энергетически невыгодно. Сродство же к электрону атомов неметаллов всегда положительно и тем больше, чем ближе к благородному газу расположен неметалл в периодической системе; это свидетельствует об усилении неметаллических свойств по мере приближения к концу периода.

Важным энергетическим параметром для изучения химических процессов является энергия ионизации атома. Применительно к атому водорода это энергия, которую необходимо затратить, для того чтобы оторвать электрон от протона.

Она равна сумме потенциальной энергии системы и кинетической энергии электрона.

E a = E+T= -Z . e/2 . R, (2.7)

где E a -энергия атома водорода.

Из формулы (2.7) следует, что уменьшение расстояния между электроном и ядром и увеличение заряда ядра означают увеличение силы притяжения электрона к ядру. То есть, потребуется больше энергии для отрыва электрона от ядра. Чем больше энергии требуется для разрыва этой связи, тем более стабильна система.

Следовательно, если разрушение связи (отделение электрона от ядра) в одной системе требует больше энергии, чем в другой, то первая система более стабильна.

Энергия ионизации атома - та энергия, что требуется для разрыва связей в атоме водорода, была определена экспериментально . Она равна 13,6 эВ (электронвольт). Также экспериментально была определена энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра в атоме, состоящем из одного электрона и ядра, заряд которого в два раза больше, заряда ядра атома водорода. В этом случае необходимо затратить в четыре раза больше энергии (54,4 эВ).

Как известно из электростатики, энергия (Т ), необходимая для разрыва связи между противоположенными зарядами (Z и е ), находящимися друг от друга на расстоянии R , определяется равенством

Она пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Такая корреляция вполне понятна: чем больше заряды, тем сильнее их притяжение друг к другу, следовательно, больше энергии требуется для разрыва связи между ними. И чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии придется затратить на разрушение связи. Благодаря этому становится понятным, почему атомная система, где заряд ядра в два раза больше, чем заряд ядра в атоме водорода, более стабильна и требует больше энергии для отрыва электрона.

СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ частицы (молекулы, атома, иона), миним. энергия А, необходимая для удаления электрона из соответствующего отрицат. иона на бесконечность. Для частицы X С. к э. относится к процессу:

С. к э. равно энергии ионизации E отрицат. иона X - (первому потенциалу ионизации U 1 , измеряется в эВ). По аналогии с потенциалом ионизации различают первое и второе С. к э., а также вертикальное и адиабатическое С. к э. многоатомной частицы. Термрдинамич. определение С. к э.-стандартная энтальпия р-ции (1) при абс. нуле температуры:

АN А (N А ~постоянная Авогадро).

Надежных эксперим. данных по С. к э. атомов и молекул до сер. 60-х гг. 20 в. практически не существовало. В настоящее время использование равновесных методов получения и исследования отрицат. ионов позволило получить первые С. к э. для большинства элементов периодич. системы и неск. сотен орг. и неорг. молекул. Наиб. перспективные методы определения С. к э.-фотоэлектронная спектроскопия (точность + 0,01 эВ) и масс-спектрометрич. исследование равновесий ионно-молекулярных реакций. Квантовомех. расчеты С. к э. аналогичны расчетам потенциалов ионизации. Наилучшая точность для многоатомных молекул составляет 0,05-0,1 эВ.

Наибольшим С. к э. обладают атомы галогенов. Для ряда элементов С. к э. близко к нулю или меньше нуля. Последнее означает, что для данного элемента устойчивого отрицат. иона не существует. В табл. 1 приведены значения С. к э. атомов, полученные методом фотоэлектронной спектроскопии (работы У. Лайнебергера с сотрудниками).

ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ , величина, характеризующая способность атома к поляризации ковалентных связей. Если в двухатомной молекуле А - В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным, чем А.
Л. Полинг предложил (1932) для количеств. характеристики электроотрицательности использовать термохим. данные об энергии связей А-А, В - В и А - В - соотв. Е АА, Е вв и Е АВ. Энергия гипотетической чисто ковалентной связи А - В (Е ков) принимается равной среднеарифметич. или среднегеометрич. значению величин E AA и Е ВВ. Если электроотрицательности атомов А и В различны, то связь А - В перестает быть чисто ковалентной и энергия связи Е АВ станет больше Е ков на величину

Чем больше различие электроотрицательностей атомов А и В, тем больше величина Используя эмпирич. ф-лу (множитель 0,208 возникает при переводе значений энергии из ккал/моль в эВ) и принимая для атома водорода произвольное значение электроотрицательности равное 2,1, Полинг получил удобную шкалу относит. числовых значений электроотрицательности, часть к-рых приведена в табл. Наиб. электроотрицателен самый легкий из галогенов - F, наименее - тяжелые щелочные металлы.
Для количеств. описания электроотрицательности, помимо термохим. данных, используют также данные о геометрии молекул (напр., метод Сандерсона), спектральные характеристики (напр., метод Горди).

АТОМНЫЕ РАДИУСЫ , эффективные характеристики атомов, позволяющие приближенно оценивать межатомное (межъядерное) расстояние в молекулах и кристаллах. Согласно представлениям квантовой механики, атомы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, связанный с данным ядром, на определенном расстоянии от этого ядра быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому атому приписывают нек-рый радиус, полагая, что в сфере этого радиуса заключена подавляющая часть электронной плотности (90-98%). Атомные радиусы - величины очень малые, порядка 0,1 нм, однако даже небольшие различия в их размерах могут сказываться на структуре построенных из них кристаллов, равновесной конфигурации молекул и т.п. Опытные данные показывают, что во мн. случаях кратчайшее расстояние между двумя атомами действительно примерно равно сумме соответствующих атомных радиусов (т. наз. принцип аддитивности атомных радиусов). В зависимости от типа связи между атомами различают металлич., ионные, ковалентные и ван-дер-ваальсовы атомные радиусы.

Металлич. радиус равен половине кратчайшего расстояния между атомами в кристаллич. структуре металла. Его значение зависит от координац. числа К (числа ближайших соседей атома в структуре). Чаще всего встречаются структуры металлов с К = 12. Если принять значение атомных радиусов в таких кристаллах за 1, то атомные радиусы металлов с К, равными 8, 6 и 4, составят соотв. 0,98, 0,96 и 0,88. Близость значений атомных радиусов разл. металлов - необходимое (хотя и недостаточное) условие того, что эти металлы образуют твердые р-ры замещения. Так, жидкие К и Li (радиусы 0,236 и 0,155 нм соотв.) обычно не смешиваются, а К с Rb и Cs образуют непрерывный ряд твердых р-ров (радиусы Rb и Cs-соотв. 0,248 и 0,268 нм). Аддитивность металлич. атомных радиусов позволяет с умеренной точностью предсказывать параметры кристаллич. решеток интерметаллич. соединений.

Ионные радиусы используют для приближенных оценок кратчайших межъядерных расстояний в ионных кристаллах, предполагая, что эти расстояния равны сумме соответствующих ионных радиусов атомов. Существует неск. систем значений ионных радиусов, отличающихся для индивидуальных ионов, но приводящих к примерно одинаковым межъядерным расстояниям в ионных кристаллах. Впервые ионные радиусы были определены в 20-х гг. 20 в. В. М. Гольдшмидтом, опиравшимся на рефрактометрич. значения радиусов F - и О 2- , равных соотв. 0,133 и 0,132 нм. В системе Л. Полинга за основу принято значение радиуса иона О 2- , равное 0,140 нм, в распространенной системе Н. В. Белова и Г. Б. Бокия радиус этого же иона принят равным 0,136 нм, в системе К. Шеннона -0,121 нм (К = 2).

Ковалентный радиус равен половине длины одинарной хим. связи X-X, где Х - атом неметалла. Для галогенов ковалентный атомный радиус - это половина межъядерного расстояния в молекуле Х 2 , для S и Se- в Х 8 , для С-в кристалле алмаза. Ковалентные радиусы F, Cl, Br, I, S, Se и С равны соотв. 0,064, 0,099, 0,114, 0,133, 0,104, 0,117 и 0,077 нм. Ковалентный радиус водорода принимают равным 0,030 нм, хотя половина длины связи Н-Н в молекуле Н 2 равна 0,037 нм. Пользуясь правилом аддитивности атомных радиусов, предсказывают длины связей в многоатомных молекулах. Напр., длины связей С-Н, С-F и С-С1 должны составлять 0,107, 0,141 и 0,176 нм соотв., и они действительно примерно равны указанным значениям во мн. орг. молекулах, не содержащих кратных углерод-углеродных связей; в противном случае соответствующие межъядерные расстояния уменьшаются.

Ван-дер-ваальсовы радиусы определяют эффективные размеры атомов благородных газов. Считают также, что эти радиусы равны половине межъядерного расстояния между ближайшими одинаковыми атомами, не связанными между собой хим. связью, т.е. принадлежащими разным молекулам, напр. в молекулярных кристаллах. Значения ван-дер-ваальсовых радиусов находят, пользуясь принципом аддитивности атомных радиусов, из кратчайших контактов соседних молекул в кристаллах. В среднем они на ~ 0,08 нм больше ковалентных радиусов. Знание ван-дер-ваальсовых радиусов позволяет определять конформацию молекул и их упаковку в молекулярных кристаллах. Энергетически выгодными обычно бывают такие конформации молекул, в к-рых перекрывание ван-дер-ваалъсовых радиусов валентно не связанных атомов невелико. Ван-дер-ваальсовы сферы валентно связанных атомов в пределах одной молекулы перекрываются. Внеш. контур перекрывающихся сфер определяет форму молекулы. Молекулярные кристаллы подчиняются принципу плотной упаковки, согласно к-рому молекулы, моделируемые своим "ван-дер-ваальсовым окаймлением", располагаются т. обр., что "выступы" одной молекулы входят во "впадины" другой. Пользуясь этими представлениями, можно интерпретировать кристаллографич. данные, а в ряде случаев и предсказывать структуру молекулярных кристаллов.

Билет 6.

Химическая связь.

Образование из атомов молекул, молекулярных ионов, ионов, кристаллических, аморфных и других веществ сопровождается уменьшением энергии по сравнению с невзаимодействующими атомами. При этом минимальной энергии соответствует определенное расположение атомов друг относительно друга, которому отвечает существенное перераспределение электронной плотности. Силы, удерживающие атомы в новых образованиях, получили обобщенное название ╚химическая связь╩. Важнейшие виды химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, межмолекулярная.

Согласно электронной теории валентности, химическая связь возникает за счет перераспределения электронов валентных орбиталей, в результате чего возникает устойчивая электронная конфигурация благородного газа (октет) за счет образования ионов (В. Коссель) или образования общих электронных пар (Г. Льюис).

Химическая связь характеризуется энергией и длиной. Мерой прочности связи служит энергия, затрачиваемая на разрушение связи, или выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов (E св). Так, на разрыв связи H√H затрачивается 435 кДжмоль √1 , а на атомизацию метана CH 4 √ 1648 кДжмоль √1 , в этом случае E C√H = 1648: 4 = 412 кДж. Длина связи (нм) √ расстояние между ядрами в том или ином соединении. Обычно длина связи и ее энергия антибатны: чем больше длина связи, тем меньше ее энергия.

Химическая связь обычно изображается черточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщенной паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий ее геометрию.

Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей атомов, образующих двухцентровую связь, геометрией молекулы, а так же наличием неподеленных электронных пар, так как часть электронной плотности в молекуле может быть локализована не в направлении связей. Полярность связи выражается через ее ионную составляющую, то есть через смещение электронной пары к более электроотрицательному атому. Полярность связи может быть выражена через ее дипольный момент м, равный произведению элементарного заряда на длину диполя *) м = e l. Полярность молекулы выражается через ее дипольный момент, который равен векторной сумме всех дипольных моментов связей молекулы.

*) Диполь √ система из двух равных, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Дипольный момент измеряется в кулон-метрах (Клм) или в дебаях (D); 1D = 0,33310 √29 Клм.

Все эти факторы следует учитывать. Например, для линейной молекулы CO 2 м = 0, но для SO 2 м = 1,79 D вследствие ее углового строения. Дипольные моменты NF 3 и NH 3 при одинаковой гибридизации атома азота (sp 3), примерно одинаковой полярности связей N√F и N√H (ОЭО N = 3; ОЭО F = 4; ОЭО H = 2,1) и сходной геометрии молекул существенно различаются, поскольку дипольный момент неподеленной пары электронов азота при векторном сложении в случае NH 3 увеличивает м молекулы, а в случае NF 3 уменьшает его.

Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов какого-либо элемента, называется первой энергией ионизации данного элемента (точное определение величины содержится в гл. 5). Энергия, необходимая для удаления одного моля электронов из одного моля однозарядных положительных ионов какого-либо элемента, называется его второй энергией ионизации т. Например, первая и вторая энергии ионизации натрия определяются следующим образом:

Следует обратить внимание на то, что энергии ионизации относятся к атомам или ионам в газообразном состоянии. Отметим также, что энергия, необходимая для удаления второго электрона из атома натрия, почти в 10 раз превышает энергию, необходимую для удаления первого электрона. Для каждого элемента число энергий ионизации равно атомному номеру.

Экспериментальное определение энергий ионизации.

Для экспериментального определения энергий ионизации можно воспользоваться атомными спектрами или методом электронного удара.

Атомные спектры. Как мы уже видели, предел сходимости для серии линий в атомном спектре соответствует ионизации атома. Частота излучения, отвечающая пределу сходимости, связана с энергией ионизации соотношением .

Выше были описаны несколько серий линий в спектре атомарного водорода; каждая серия имеет свой предел сходимости. Какую из них следует выбрать для определения энергии ионизации? Напомним, что энергия ионизации необходима для возбуждения электрона из его основного состояния и полного удаления этого электрона из атома. По надписям на рис. 1.14 видно, что серия Лаймана соответствует возвращению возбужденного электрона в основное состояние. Именно эту серию и следует выбрать, чтобы по ее пределу сходимости определить энергию ионизации.

Метод электронного удара. В газоразрядную трубку вводят газообразный образец исследуемого элемента. Этот образец подвергают бомбардировке электронами, которые испускаются катодом разрядной трубки. Электроны предварительно разгоняют в электрическом поле, создаваемом между катодом и проволочной сеткой. Напряженность этого поля постепенно увеличивают до тех пор, пока не произойдет внезапное усиление тока, вызванное ионизацией образца. По разности потенциалов между катодом и сеткой, которая соответствует началу ионизации, можно вычислить энергию ионизации исследуемого элемента.

Энергия ионизации - основная характеристика атома. Именно она определяет природу и прочность которые способен образовывать атом. Восстановительные свойства вещества (простого) также зависят от этой характеристики.

Понятие «энергия ионизации» иногда заменяют понятием «первый ионизационный потенциал» (I1), подразумевая под этим самую маленькую энергию, которая нужна для того, чтобы электрон удалился от свободного атома, когда тот находится в таком состоянии энергии, которое называется низшим.

В частности, для атома водорода так называют энергию, которая требуется для отрыва электрона от протона. Для атомов с несколькими электронами существует понятие второго, третьего и т.д. ионизационных потенциалов.

Энергия ионизации - это сумма, одним слагаемым которой является энергия электрона, а другим - системы.

В химии энергия атома водорода обозначается символом «Ea», а сумму потенциальной энергии системы и энергии электрона можно выразить формулой: Ea= E+T= -Z.e/2.R.

Из этого выражения видно, что стабильность системы напрямую связана с зарядом ядра и расстояния между ним и электроном. Чем меньше это расстояние, чем сильнее заряд ядра, тем сильнее они притягиваются, тем стабильнее и устойчивее система, тем большее количество энергии необходимо потратить на разрыв этой связи.

Очевидно, что по уровню потраченной для разрушения связи энергии можно сравнивать стабильность систем: чем больше энергия, тем стабильнее система.

Энергия ионизации атома - (сила, которая необходима для разрушения связей в атоме водорода) была рассчитана экспериментальным путем. Сегодня ее значение известно точно: 13,6 эВ (электронвольт). Позже ученые, также при помощи целой серии экспериментов, сумели рассчитать энергию, требующуюся для разрушения связи атом - электрон в системах, состоящих из единственного электрона и ядра с зарядом, в два раза превышающим заряд атома водорода. Экпериментальным путем установлено, что в таком случае требуется 54,4 электронвольт.

Известные законы электростатики гласят, что энергия ионизации, необходимой для того, чтобы разорвать связь между противоположенными зарядами (Z и е), при условии, что они расположены на расстоянии R, фиксируется (определяется) таким уравнением: T=Z.e/R.

Такая энергия пропорциональна величине зарядов и, соответственно, находится в обратной зависимости к расстоянию. Это вполне естественно: чем сильнее заряды, тем сильнее силы соединяющие их, тем мощнее усилие требуется приложить, чтобы разрушить связь между ними. Это же касается и расстояния: чем оно меньше, тем сильнее энергия ионизации, тем больше вил придется приложить для разрушения связи.

Это рассуждение объясняет, почему система атомов с сильным зарядом ядра стабильнее и нуждается в большей энергии для отрыва электрона.

Сразу возникает вопрос: "Если только вдвое сильнее, почему энергия ионизации, необходимая для отрыва электрона, увеличивается не в два, а в четыре раза? Почему она равняется удвоенному заряду, взятому в квадрат(54,4/13,6=4)?".

Это противоречие объясняется довольно просто. Если заряды Z и е в системе находятся относительно во взаимном состоянии неподвижности, то энергия (Т) пропорциональна заряду Z, а увеличиваются они пропорционально.

Но в системе, где электрон с зарядом е делает обороты ядра с зарядом Z, а Z усиливается, пропорционально уменьшается радиус вращения R: электрон с большей силой притягивается к ядру.

Вывод очевиден. На энергию ионизации действует заряд ядра, расстояние (по радиусу) от ядра до высшей точки зарядовой плотности внешнего электрона; сила отталкивания между наружными электронами и мера проникающей способности электрона.