イオン化エネルギーとは何か

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フィールド: 基本電気

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元素が最外殻の電子を放出して正イオンを形成する能力は、その原子から電子を取り出すのに十分なエネルギーの量によって現れます。このエネルギーはイオン化エネルギーと呼ばれています。簡単に言えば、イオン化エネルギーとは、孤立した原子または分子に供給されるエネルギーであり、最も緩く結合している価電子をノックアウトして正イオンを形成します。その単位は電子ボルト eVまたはkJ/molで、高速電子がガス状元素と衝突してその中の一つの電子を放出する電気放電管で測定されます。イオン化エネルギー（IE）が低いほど、陽イオンを形成する能力が高いと言えます。

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これはボーアの原子モデルによって説明できます。このモデルでは、水素のような原子を考え、電子がコロンブ力により正に帯電した核の周りを回転し、電子は固定または量子化されたエネルギー準位を持つとされています。ボーアモデルの電子のエネルギーは量子化されており、以下の通りです：
ここで、Zは原子番号、nは主量子数で、nは整数です。水素原子の場合、イオン化エネルギーは13.6eVです。

イオン化エネルギー（eV）は、電子をn = 1（基底状態または最も安定した状態）から無限大まで移動させるために必要なエネルギーです。したがって、無限大でのエネルギーを0 (eV)として参照すると、イオン化エネルギーは以下のようになります：イオン化エネルギーの概念は、ボーアの原子モデルの証拠を支持しており、電子は主量子数'n'で表される固定または離散的なエネルギー準位または殻の中で核の周りを回転できるとされています。最初の電子が正に帯電した核の近くから遠ざかると、次に緩く結合している電子を取り除くためにはより多くのエネルギーが必要となります。つまり、第2イオン化エネルギーは第1イオン化エネルギーよりも大きいです。

例えば、ナトリウム（Na）の第1イオン化エネルギーは以下の通りです：
そして、その第2イオン化エネルギーは

したがって、IE2 > IE1 (eV)です。これがK回のイオン化がある場合でも真であり、IE1 < IE2 < IE3……….< IEk

金属は低イオン化エネルギーを持っています。低イオン化エネルギーは元素の導電性が良いことを示しています。例えば、銀（Ag、原子番号Z = 47）の導電性は6.30 × 107 s/mで、そのイオン化エネルギーは7.575 eVであり、銅（Cu、Z = 29）の導電性は5.76 × 107 s/mで、そのイオン化エネルギーは7.726 eVです。導体において、低イオン化エネルギーは電子が正に帯電した格子全体を動き回ることを可能にし、電子雲を形成します。

イオン化エネルギーに影響を与える要因

周期表では、一般的な傾向として、イオン化エネルギーは左から右へ増加し、上から下へ減少します。したがって、イオン化エネルギーに影響を与える要因は以下の通りまとめられます：

原子の大きさ：イオン化エネルギーは原子の大きさとともに減少します。原子半径が増加すると、核と最外殻電子との間のコロンブ力が減少するためです。
シールディング効果：内殻電子の存在により、核と価電子との間のコロンブ力が弱まります。したがって、イオン化エネルギーは減少します。内殻電子の数が多いほど、シールディング効果は強くなります。しかし、金の場合、イオン化エネルギーは銀よりも大きく、金のサイズが銀よりも大きいにもかかわらず、これは金の内殻dおよびf軌道による弱いシールディング効果によるものです。
核電荷：核電荷が大きいほど、核と電子との間の引力が大きくなるため、イオン化が困難になります。
電子構造：原子の電子構造が安定しているほど、電子を取り出すのが難しくなり、イオン化エネルギーが高くなります。