Η ιοντοποίηση είναι ένα βασικό σύνθημα της χημείας και της φυσικής που περιγράφει τη μετατροπή ηλεκτρικά ουδέτερων ατόμων ή μορίων σε ηλεκτρικά φορτισμένα. Η ιοντοποίηση συμβαίνει όταν ένα ατομικό ή μοριακό σύστημα αποκτά ή χάνει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα να προκύψει θετικό ή αρνητικό φορτίο. Το φορτισμένο ατομικό ή μοριακό σύστημα ονομάζεται ιόν.

Η ιοντοποίηση μπορεί να συμβεί με διάφορους τρόπους, όπως μέσω συγκρούσεων, χημικών αντιδράσεων ή εκτόπισης σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ιοντοποίηση παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλά φυσικά και τεχνολογικά φαινόμενα, όπως οι αυρές, η επικοινωνία μέσω της ιονόσφαιρας, η μαζική σπεκτροσκοπία, η ακτινοθεραπεία και η πυρηνική σύντηξη.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξηγήσουμε λεπτομερώς τη διαδικασία ιοντοποίησης, χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα το νάτριο χλωρίδιο (NaCl). Θα συζητήσουμε επίσης τους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία ιοντοποίησης, όπως η ενέργεια ιοντοποίησης και η σχετική επιτροπιότητα του μέσου. Τέλος, θα παρέχουμε μερικά παραδείγματα ιοντοποίησης σε διάφορες περιοχές.

Τι είναι η Διαδικασία Ιοντοποίησης;

Η διαδικασία ιοντοποίησης περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων ή μορίων. Για να εξηγήσουμε αυτή τη διαδικασία, θα εξετάσουμε την περίπτωση του νάτριου χλωρίδιου (NaCl), ένα συνηθισμένο αλάτι που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή.

Το νάτριο χλωρίδιο αποτελείται από ατόμια νάτριου (Na) και χλωρίου (Cl) που κρατούνται μαζί με ηλεκτροστατική δύναμη. Το ατομικό αριθμό του Na και Cl είναι 11 και 17 αντίστοιχα, που σημαίνει ότι έχουν 11 και 17 ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τα πυρήνες τους.

Η διάταξη αυτών των ηλεκτρονίων είναι εμφανής στο παρακάτω σχήμα. Τα ηλεκτρόνια είναι διανεμημένα σε διαφορετικά στρώματα ή τροχιές γύρω από τον πυρήνα, σύμφωνα με τα επίπεδα ενέργειας τους. Το εξωτερικότερο στρώμα ονομάζεται στρώμα τιμής, και αυτό καθορίζει τις χημικές ιδιότητες του ατόμου.

Όπως μπορείτε να δείτε από το σχήμα, το ατομικό Na έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο στο στρώμα τιμής, ενώ το ατομικό Cl έχει επτά ηλεκτρόνια στο στρώμα τιμής. Για να επιτευχθεί μια σταθερή διάταξη, τα ατόμια τείνουν να έχουν οκτώ ηλεκτρόνια στο στρώμα τιμής, σύμφωνα με τον κανόνα του οκταέτειου.

Επομένως, τα ατόμια Na και Cl είναι ασταθή ή χημικά ενεργά. Όταν πλησιάζουν το ένα το άλλο, υποκύπτουν σε μια χημική αντίδραση που περιλαμβάνει την ανταλλαγή ηλεκτρονίων.

Το ατομικό Na χάνει το ηλεκτρόνιο του στρώματος τιμής και γίνεται θετικά φορτισμένο ιόν (Na+), ενώ το ατομικό Cl αποκτά ένα ηλεκτρόνιο και γίνεται αρνητικά φορτισμένο ιόν (Cl-). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ιοντοποίηση.

Τα ιόντα Na+ και Cl- ελκύονται μεταξύ τους από μια ηλεκτροστατική δύναμη, σχηματίζοντας ένα μόριο NaCl. Αυτή η δύναμη είναι ανάλογη με το γινόμενο των φορτίων τους και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης τους, σύμφωνα με τον νόμο του Coulomb.

Η εξίσωση για τον νόμο του Coulomb είναι:

Όπου F είναι η δύναμη, Q1 και Q2 είναι τα φορτία, r είναι η απόσταση, και εr είναι η σχετική επιτροπιότητα του μέσου.

Η σχετική επιτροπιότητα (που ονομάζεται επίσης διελεκτρικό σταθερό) είναι ένα μέτρο του πόσο ένα υλικό μειώνει το ηλεκτρικό πεδίο μέσα του σε σύγκριση με το κενό. Η σχετική επιτροπιότητα του κενού είναι 1 από ορισμό.

Η σχετική επιτροπιότητα επηρεάζει την ισχύ της ηλεκτροστατικής δύναμης μεταξύ ιόντων. Για παράδειγμα, η σχετική επιτροπιότητα του αέρα είναι περίπου 1.0006, ενώ η σχετική επιτροπιότητα του νερού στους 20°C είναι περίπου 80.

Αυτό σημαίνει ότι όταν το NaCl διαλύεται στο νερό, η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ των ιόντων Na+ και Cl- γίνεται 80 φορές αδύνατη από τον αέρα. Ως αποτέλεσμα, τα ιόντα Na+ και Cl- απομονώνονται το ένα από το άλλο και γίνονται ελεύθερα να κινούνται στην λύση.

Η Ενέργεια Ιοντοποίησης και Οι Παράγοντές Της

Ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία ιοντοποίησης είναι η ενέργεια ιοντοποίησης. Η ενέργεια ιοντοποίησης είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από ένα απομονωμένο, αεριούχο ατομικό ή μοριακό σύστημα στην ένδειξη της ένδειξης. Η ενέργεια ιοντοποίησης εκφράζεται συνήθως σε kJ/mol, ή την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για όλα τα ατόμια σε ένα μόλιο να χάσουν ένα ηλεκτρόνιο κάθε ένα.

Η ενέργεια ιοντοποίησης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως τον ατομικό αριθμό, τον ατομικό ακτίνα, την ηλεκτρονική διάταξη και την αποσκέπτρωση των εσωτερικών ηλεκτρονίων. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν πόσο ισχυρά κρατάει ο πυρήνας τα ηλεκτρόνια τιμής και πόσο εύκολα μπορούν να αφαιρεθούν.

Η ενέργεια ιοντοποίησης γενικά αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά σε ένα περίοδο και μειώνεται από τα πάνω προς τα κάτω σε ένα ομάδα στο περιοδικό σύστημα. Αυτό συμβαίνει επειδή:

• Ο ατομικός αριθμός αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά σε ένα περίοδο, που σημαίνει ότι η πυρηνική φορτία αυξάνεται, και τα ηλεκτρόνια τιμής είναι περισσότερο ελκυστικά για τον πυρήνα.

• Ο ατομικός ακτίνα μειώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά σε ένα περίοδο, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια τιμής είναι πιο κοντά στον πυρήνα και πιο δύσκολο να αφαιρεθούν.

• Η ηλεκτρονική διάταξη αλλάζει από τα αριστερά προς τα δεξιά σε ένα περίοδο, που σημαίνει ότι κάποια στοιχεία έχουν πιο σταθερές ή μισογεμάτες τροχιές που απαιτούν περισσότερη ενέργεια για να διαταραχθούν.

• Η αποσκέπτρωση των εσωτερικών ηλεκτρονίων αυξάνεται από τα πάνω προς τα κάτω σε μια ομάδα, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια τιμής είναι λιγότερο επηρεασμένα από την πυρηνική φορτία και εύκολα αφαιρούνται.

Υπάρχουν κάποιες εξαιρέσεις σε αυτή τη γενική τάση, όπως τα αλκαλινά γηινά μέταλλα (ομάδα 2) και τα στοιχεί