La ionització és un concepte fonamental en química i física que descriu la transformació d'àtoms o molècules elèctricament neutres àtoms o molècules en els que tenen càrrega elèctrica. La ionització es produeix quan un àtom o una molècula guanya o perd un o més electrons, resultant en una càrrega positiva o negativa. L’àtom o la molècula carregada s’anomena íon.

La ionització pot succeir de diverses maneres, com a través de col·lisions, reaccions químiques o exposició a radiació electromagnètica. La ionització joca un paper important en molts fenòmens naturals i tecnològics, com les aurores, la comunicació ionosfèrica, l’espectrometria de masses, la teràpia radiactiva i la fusió nuclear.

En aquest article, explicarem detalladament el procés d’ionització, utilitzant el clorur de sodi (NaCl) com a exemple. També discutirem els factors que afecten el procés d’ionització, com l’energia d’ionització i la permittivitat relativa del mitjà. Finalment, proporcionarem alguns exemples d’ionització en diferents contextos.

Què és el procés d’ionització?

El procés d’ionització implica la transferència d’electrons entre àtoms o molècules. Per il·lustrar aquest procés, considerem el cas del clorur de sodi (NaCl), que és una sal comuna que utilitzem en la nostra vida quotidiana.

El clorur de sodi consta d’àtoms de sodi (Na) i àtoms de clor (Cl) que estan units per una força electroestàtica. El número atòmic de Na i Cl són 11 i 17, respectivament, el que significa que tenen 11 i 17 electrons orbitant al voltant dels seus nuclis.

L’arranjament d’aquests electrons es mostra a la figura següent. Els electrons estan distribuïts en diferents capes o òrbites al voltant del nucli, segons els seus nivells d’energia. La capa més externa s’anomena capa de valència, i determina les propietats químiques de l’àtom.

Com podeu veure a la figura, l’àtom de Na té només un electró a la seva capa de valència, mentre que l’àtom de Cl té set electrons a la seva capa de valència. Per assolir una configuració estable, els àtoms tendeixen a tenir vuit electrons a la seva capa de valència, seguïnt la regla de l’octet.

Per tant, tant Na com Cl són inestables o químicament actius. Quan s’aproximen l’un a l’altre, experimenten una reacció química que implica l’intercanvi d’electrons.

L’àtom de Na perd el seu electró de valència i es converteix en un íon carregat positivament (Na+), mentre que l’àtom de Cl guanya un electró i es converteix en un íon carregat negativament (Cl-). Aquest procés s’anomena ionització.

Els íons Na+ i Cl- s’atrauen mutuament per una força electroestàtica, formant una molècula de NaCl. Aquesta força és proporcional al producte de les seves càrregues i inversament proporcional al quadrat de la seva distància, segons la llei de Coulomb.

L’equació de la llei de Coulomb és:

On F és la força, Q1 i Q2 són les càrregues, r és la distància, i εr és la permittivitat relativa del mitjà.

La permittivitat relativa (també anomenada constant dielèctric) és una mesura de com un material redueix el camp elèctric a l’interior d’ell comparat amb el buit. La permittivitat relativa del buit és 1 per definició.

La permittivitat relativa afecta la fortalesa de la força electroestàtica entre íons. Per exemple, la permittivitat relativa de l’aire és d’uns 1,0006, mentre que la permittivitat relativa de l’aigua a 20°C és d’uns 80.

Això significa que quan el NaCl es dissol a l’aigua, la força electroestàtica entre els íons Na+ i Cl- es fa 80 vegades més feble que a l’aire. Com a resultat, els íons Na+ i Cl- es separen l’un de l’altre i es converteixen en lliures per a moure’s a la solució.

Energia d’ionització i els seus factors

Un dels factors que afecten el procés d’ionització és l’energia d’ionització. L’energia d’ionització és la quantitat d’energia necessària per treure un electró d’un àtom o molècula gaseosa aïllada en el seu estat fonamental. L’energia d’ionització normalment es expressa en kJ/mol, o la quantitat d’energia que cal per a que tots els àtoms en un mol perdin un electró cadascun.

L’energia d’ionització depèn de diversos factors, com el número atòmic, el radi atòmic, la configuració electrònica i l’efecte de blindatge dels electrons interiors. Aquests factors influencien com de fort el nucli reté els electrons de valència i com de fàcilment es poden treure.

L’energia d’ionització generalment augmenta de l’esquerra a la dreta en un període i disminueix d’arriba avall en un grup a la taula periòdica. Això és perquè:

• El número atòmic augmenta de l’esquerra a la dreta en un període, el que significa que la càrrega nuclear augmenta, i els electrons de valència s’atrauen més al nucli.

• El radi atòmic disminueix de l’esquerra a la dreta en un període, el que significa que els electrons de valència estan més a prop del nucli i són més difícils de treure.

• La configuració electrònica canvia de l’esquerra a la dreta en un període, el que significa que alguns elements tenen orbitals més estables o meitat omplerts que requereixen més energia per a interrompre.

• L’efecte de blindatge dels electrons interiors augmenta d’arriba avall en un grup, el que significa que els electrons de valència són menys afectats per la càrrega nuclear i són més fàcils de treure.

Hi ha algunes excepcions a aquesta tendència general, com els metalls alcalinotèrreus (grup 2) i els elements del grup del nitrògen (grup 15). Aquests elements tenen energies d’ionització més altes que els seus elements veïns perquè tenen o bé orbitals completament omplerts o meitat omplerts, que són més estables i resistent a l’ionització.

L’energia d’ionització és important per entendre el comportament químic dels elements i la seva tendència a formar enllaços covalents o iònics amb altres elements. Elements amb baixes energies d’ionització tendeixen a perdre electrons i formar íons positius (cations), mentre que elements amb altes energies d’ionització tendeixen a guanyar electrons i formar íons negatius (ànions). Elements amb energies d’ionització similars tendeixen a compartir electrons i formar enllaços covalents.

Per exemple, el sodi (Na) té una baixa energia d’ionització de 496 kJ/mol, mentre que el clor (Cl) té una alta energia d’ionització de 1251,1 kJ/mol. Quan reaccionen, el sodi perd un electró i es converteix en Na+, mentre que el clor guanya un electró i es converteix en Cl-. Formen un enllaç iònic per atracció electroestàtica entre les seves càrregues oposades.

D’altra banda, el carboni (C) i l’oxigen (O) tenen energies d’ionització similars de 1086,5 kJ/mol i 1313,9 kJ/mol, respectivament. Quan reaccionen, comparteixen electrons i formen enllaços covalents superposant els seus orbitals. Formen molècules com el CO2 (diòxid de carboni) o el CO (monòxid de carboni).

La diferència en energies d’ionització entre dos elements reaccionants es pot utilitzar per predir el tipus d’enllaç que formen. Una gran diferència (>1,7) indica un enllaç iònic, una petita diferència (<0,4) indica un enllaç covalent no polar i una diferència intermèdia (0,4-1,7) indica un enllaç covalent polar.

Exemples d’ionització en diferents contextos

La ionització pot succeir en diversos contextos, com en la natura, en la tecnologia i en experiments de laboratori. Aquí hi ha alguns exemples d’ionització en diferents situacions:

• En la natura, la ionització pot succeir quan àtoms o molècules estan exposats a radiació d’alta energia procedent de raigs còsmics, el Sol o altres fonts. Per exemple, el vent solar, que consisteix en partícules carregades emeses pel Sol, pot ionitzar els àtoms i molècules de l’alta atmosfera terrestre, creant una capa de plasma anomenada ionosfera. La ionosfera reflecteix i refracta ones de ràdio, permetent la comunicació i navegació a llarga distància. Un altre exemple d’ionització natural és la formació d’aurores, que són exibicions colorides de llum causades per la interacció de partícules carregades del vent solar amb el camp magnètic i l’atmosfera terrestre. Les partícules carregades col·lideixen amb les molècules d’aire i les ionitzen, fent-les emissar llum de colors diferents depenent dels seus nivells d’energia i tipus.

• En la tecnologia, la ionització es pot utilitzar per diversos propòsits, com en l’espectrometria de masses, la teràpia radiactiva i la fusió nuclear. L’espectrometria de masses és una tècnica que mesura la relació massa/càrrega dels íons produïts per ionitzar una mostra de matèria. Aquesta tècnica es pot utilitzar per identificar i quantificar la composició química de substàncies, com medicaments, proteïnes, contaminants, etc. La teràpia radiactiva és un tractament que utilitza radiació ionitzant per matar cèl·lules cancerígenes o reduir tumors. La radiació dana l’ADN de les cèl·lules cancerígenes i evita que es dividin i es propaguin. La fusió nuclear és un procés que implica fusionar dos nuclis lleugers en un més pesant, alliberant una gran quantitat d’energia. Aquest procés requereix temperatures i pressions molt altes per superar la repulsió electroestàtica entre els nuclis carregats positivament. Una manera d’aconseguir-ho és utilitzant gas o plasma ionitzat com a combustible per a reactiors de fusió.

• En experiments de laboratori, la ionització es pot induir per diversos mètodes, com aplicar un camp elèctric, escalfar una substància o exposar una substància a la llum. Per exemple, un camp elèctric es pot utilitzar per ionitzar un gas en un tub de descàrrega, creant un plasma brillant que emet llum de diferents longituds d’ona depenent del tipus de gas. Escalfar una substància pot fer-la perdre electrons i convertir-se en ionitzada degut a l’agitació tèrmica. Per exemple, quan el metall de sodi s’escalfa en una flama, emet una llum groga degut a la ionització dels àtoms de sodi. Exposar una substància a la llum pot fer-la absorbir fotons i expulsar electrons, resultant en fotoionització. Per exemple, quan el gas d’hidrogen s’exposa a la llum ultraviolada, absorbeix fotons i allibera electrons, creant ions d’hidrogen i electrons lliures.

Conclusió

La ionització és un procés que canvia la càrrega elèctrica d’àtoms o molècules guanyant o perdent electrons. La ionització pot succeir de diverses maneres, com a través de col·lisions, reaccions químiques o exposició a radiació electromagnètica. La ionització afecta les propietats químiques i físiques de la matèria i joca un paper important en mol