Ionizace je základní koncept v chemii a fyzice, který popisuje transformaci elektricky neutrálních atomů nebo molekul na elektricky nabitou formu. Ionizace nastává, když atom nebo molekula získá nebo ztratí jeden nebo více elektronů, což vede k pozitivnímu nebo negativnímu náboji. Nabitý atom nebo molekula se nazývá ion.

Ionizace může proběhnout různými způsoby, jako jsou srážky, chemické reakce nebo expozice elektromagnetickému záření. Ionizace hraje důležitou roli v mnoha přírodních a technologických jevech, jako jsou polární záře, komunikace v ionosféře, hmotnostní spektrometrie, radioterapie a termojaderná fúze.

V tomto článku podrobně vysvětlíme proces ionizace na příkladu chloridu sodného (NaCl). Také diskutujeme o faktorech, které ovlivňují proces ionizace, jako je ionizační energie a relativní permitivita prostředí. Nakonec poskytneme několik příkladů ionizace v různých kontextech.

Co je proces ionizace?

Proces ionizace zahrnuje přenos elektronů mezi atomy nebo molekulami. Abychom tento proces ilustrovali, vezměme si případ chloridu sodného (NaCl), který je běžnou sůl, kterou používáme v každodenním životě.

Chlorid sodný se skládá z atomů sodíku (Na) a chlóru (Cl), které jsou spojeny elektrostatickou silou. Atomové číslo Na a Cl je 11 a 17, což znamená, že mají 11 a 17 elektronů obíhajících jejich jádro.

Rozložení těchto elektronů je znázorněno na následujícím obrázku. Elektrony jsou distribuovány do různých slupin nebo oběžných dráh kolem jádra podle jejich energetických úrovní. Nejvnější slupka se nazývá valenční slupka a určuje chemické vlastnosti atomu.

Jak můžete vidět na obrázku, atom Na má jen jeden elektron ve své valenční slupce, zatímco atom Cl má sedm elektronů ve své valenční slupce. Aby dosáhl stabilní konfigurace, atomy tendují mít osm elektronů ve své valenční slupce, což odpovídá pravidlu oktetu.

Proto jsou atomy Na i Cl nestabilní nebo chemicky aktivní. Když se přiblíží k sobě, projdou chemickou reakcí, která zahrnuje výměnu elektronů.

Atom Na ztratí svůj valenční elektron a stane se kladně nabitým ionem (Na+), zatímco atom Cl získá elektron a stane se záporně nabitým ionem (Cl-). Tento proces se nazývá ionizace.

Iony Na+ a Cl- se k sobě přitahují elektrostatickou silou, tvoříce molekulu NaCl. Tato síla je úměrná součinu jejich nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdálenosti, jak stanovuje Coulombov zákon.

Rovnice pro Coulombov zákon je:

Kde F je síla, Q1 a Q2 jsou náboje, r je vzdálenost a εr je relativní permitivita prostředí.

Relativní permitivita (též nazývaná dielektrická konstanta) je mírou, jak moc materiál snižuje elektrické pole uvnitř sebe v porovnání s vakuumem. Relativní permitivita vakua je definovaná jako 1.

Relativní permitivita ovlivňuje sílu elektrostatické síly mezi iony. Například, relativní permitivita vzduchu je asi 1.0006, zatímco relativní permitivita vody při 20°C je asi 80.

To znamená, že když se NaCl rozpouští ve vodě, elektrostatická síla mezi ionty Na+ a Cl- se stane 80krát slabší než ve vzduchu. V důsledku toho se ionty Na+ a Cl- od sebe oddělí a stávají se volnými k pohybu v roztoku.

Ionizační energie a její faktory

Jedním z faktorů, které ovlivňují proces ionizace, je ionizační energie. Ionizační energie je množství energie potřebné k odstranění elektronu z izolovaného, plynného atomu nebo molekuly v jejím základním stavu. Ionizační energie se obvykle vyjadřuje v kJ/mol, nebo množství energie, které je potřeba, aby všechny atomy v molu ztratily jeden elektron každý.

Ionizační energie závisí na několika faktorech, jako jsou atomové číslo, atomový poloměr, elektronová konfigurace a štítící efekt vnitřních elektronů. Tyto faktory ovlivňují, jak silně jádro drží valenční elektrony a jak snadno lze tyto elektrony odstranit.

Ionizační energie obecně roste zleva doprava v periodu a klesá shora dolů v skupině v periodické tabulce. To proto, že:

• Atomové číslo roste zleva doprava v periodu, což znamená, že nukleonový náboj roste a valenční elektrony jsou více přitahovány k jádru.

• Atomový poloměr klesá zleva doprava v periodu, což znamená, že valenční elektrony jsou blíže k jádru a obtížněji je odstranit.

• Elektronová konfigurace se mění zleva doprava v periodu, což znamená, že některé prvky mají stabilnější nebo polovičně zaplněné orbity, které vyžadují více energie k narušení.

• Štítící efekt vnitřních elektronů roste shora dolů v skupině, což znamená, že valenční elektrony jsou méně ovlivněny nukleonovým nábojem a snadněji se odstraní.

Existují výjimky z tohoto obecného trendu, jako jsou alkalické zeminy (skupina 2) a prvky dusíkové skupiny (skupina 15). Tyto prvky mají vyšší ionizační energie než jejich sousední prvky, protože mají buď plně zaplněné nebo polovičně zaplněné orbity, které jsou stabilnější a odolnější vůči ionizaci.

Ionizační energie je důležitá pro pochopení chemického chování prvků a jejich tendence k tvorbě kovalentních nebo iontových vazeb s jinými prvky. Prvky s nízkou ionizační energií mají tendenci ztrácet elektrony a tvořit kladné ionty (katióny), zatímco prvky s vysokou ionizační energií mají tendenci získávat elektrony a tvořit záporné ionty (anióny). Prvky s podobnou ionizační energií mají tendenci sdílet elektrony a tvořit kovalentní vazby.

Například, sodík (Na) má nízkou ionizační energii 496 kJ/mol, zatímco chlór (Cl) má vysokou ionizační energii 1251.1 kJ/mol. Když reagují, sodík ztratí elektron a stane se Na+, zatímco chlór získá elektron a stane se Cl-. Tvoří iontovou vazbu elektrostatickou atrakcí jejich opačných nábojů.

Naopak, uhlík (C) a kyslík (O) mají podobnou ionizační energii 1086.5 kJ/mol a 1313.9 kJ/mol, v tomto pořadí. Když reagují, sdílejí elektrony a tvoří kovalentní vazby překryvem jejich orbitálů. Tvoří molekuly jako CO2 (oxid uhličitý) nebo CO (oxid uhelnatý).

Rozdíl v ionizační energii mezi dvěma reagujícími prvky lze použít k předpovědi typu vazby, kterou tvoří. Velký rozdíl (>1.7) naznačuje iontovou vazbu, malý rozdíl (<0.4) naznačuje nepolární kovalentní vazbu a střední rozdíl (0.4-1.7) naznačuje polární kovalentní vazbu.

Příklady ionizace v různých kontextech

Ionizace může nastat v různých kontextech, jako jsou příroda, technologie a laboratorní pokusy. Zde jsou některé příklady ionizace v různých situacích:

• V přírodě může dojít k ionizaci, když atomy nebo molekuly jsou expozovány vysoké energetické radiaci z kosmických paprsků, Slunce nebo jiných zdrojů. Například, sluneční vítr, který se skládá z nabitéch částic emitovaných Sluncem, může ionizovat atomy a molekuly v horní atmosféře Země, vytvářejíc vrstvu plazmatu zvanou ionosféra. Ionosféra odráží a lámá rádiové vlny, umožňujíc dálkovou komunikaci a navigaci. Dalším příkladem přirozené ionizace je vznik auror, které jsou barevnými zobrazeními světla způsobenými interakcí nabitéch částic ze slunečního vítru s magnetickým polem a atmosférou Země. Nabité částice kolizí s molekulami vzduchu je ionizují, což způsobuje, že emitují světlo různých barev v závislosti na jejich energetických úrovních a typech.

• V technologii se ionizace může používat pro různé účely, jako je hmotnostní spektrometrie, radioterapie a termojaderná fúze. Hmotnostní spektrometrie je technika, která měří poměr hmotnosti k náboji iontů vytvořených ionizací vzorku látky. Tato technika se může použít k identifikaci a kvantifikaci chemického složení látek, jako jsou léky, proteiny, znečišťující látky atd. Radioterapie je léčba, která používá ionizující záření k zabíjení rakovinových buněk nebo kmenšení tumorů. Záření poškozuje DNA rakovinových buněk a brání jim v dělení a šíření. Termojaderná fúze je proces, který spojuje dva lehká jádra do těžšího, uvolňujíc velké množství energie. Tento proces vyžaduje velmi vysoké teploty a tlaky, aby překonal elektrostatickou odpuzovací sílu mezi pozitivně nabitými jádry. Jedním způsobem, jak toto dosáhnout, je použití ionizovaného plynu nebo plazmatu jako paliva pro fúzní reaktory.

• V laboratorních pokusech se ionizace může indukovat různými metodami, jako je aplikace elektrického pole, ohřev látky nebo expozice látky světlu. Například, elektrické pole se může použít k ionizaci plynu v výbojkové trubici, vytvářející svítící plazma, které emituje světlo různých vlnových délek v závislosti na typu plynu. Ohřev látky může způsobit, že ztratí elektrony a stane se ionizovanou v důsledku tepelné agitace. Například, když se kovový sodík