Ioniseerimine on keemia ja füüsika põhiline mõiste, mis kirjeldab elektriliselt neutraalsete aatome või molekulide muutumist elektriliselt laetud olekusse. Ioniseerimine toimub, kui aatom või molekul saab või kaotab ühe või mitu elektroni, mis tulemuslikult tekitab positiivse või negatiivse laengu. Laetud aatom või molekul nimetatakse iooniks.

Ioniseerimine võib toimuda erinevatel viisidel, näiteks kokkupõrke, keemiliste reaktsioonide või elektromagnetilise sätega kokkupuude kaudu. Ioniseerimine mängib olulist rolli paljudes loodus- ja tehnoloogilistes nähtustes, nagu valgused, ionosfääriline side, massspektromeetria, kiirgusravi ja tuumafüüsioon.

Selles artiklis selgitame ioniseerimisprotsessi üksikasjalikult, kasutades natriumkloriid (NaCl) näidena. Arutame ka asjaomaseid tegureid, mis mõjutavad ioniseerimisprotsessi, nagu ioniseerimisenergia ja keskkonna suhteline permittivsus. Lõpuks andmeid näiteid ioniseerimisest erinevates kontekstides.

Mis on ioniseerimisprotsess?

Ioniseerimisprotsess hõlmab elektronide edastamist aatomide või molekulide vahel. Selle protsessi illustreerimiseks vaatame natriumkloriid (NaCl) juhtumit, mis on tavaline sool, mida me kasutame oma igapäevaelus.

Natriumkloriid koosneb natrium (Na) aatomidest ja kloor (Cl) aatomidest, mis on omavahel electrostaatilise jõuga ühendatud. Na ja Cl aatomi numbrid on vastavalt 11 ja 17, mis tähendab, et neil on 11 ja 17 elektroni, mis orbiitavad nende tuumadega.

Need elektronid on järgi näidatud joonisel. Elektronid on jagatud erinevate shellide või orbiitide vahel tuuma ümber, vastavalt nende energiatasemele. Välisimane shell on nimetatud valentsshelliks, ja see määrab aatomi keemilised omadused.

Kui näete jooniselt, siis Na aatomi valentsshellis on ainult üks elektron, samas kui Cl aatomi valentsshellis on seitse elektroni. Stabiilse konfiguratsiooni saavutamiseks aatomid püüavad oma valentsshellis saada kaheksa elektroni, järgides oktaadireeglit.

Seega, mõlemad Na ja Cl aatomid on ebastabiilsed või keemiliselt aktiivsed. Kui nad lähevad lähedale üksteisele, siis nad läbib keemilist reaktsiooni, mis hõlmab elektronide vahetust.

Na aatom kaotab oma valents-elektroni ja muutub positiivselt laetud iooniks (Na+), samas kui Cl aatom saab elektroni ja muutub negatiivselt laetud iooniks (Cl-). See protsess on nimetatud ioniseerimiseks.

Na+ ja Cl- ioonid on electrostaatilise jõuga üksteisele alluvad, moodustades NaCl molekuli. See jõud on proportsionaalne nende laengute korrutisega ja pöördproportsionaalne nende kauguse ruuduga, vastavalt Coulombi seadusele.

Coulombi seaduse võrrand on:

Kus F on jõud, Q1 ja Q2 on laengud, r on kaugus, ja εr on keskkonna suhteline permittivsus.

Suhteline permittivsus (tuntud ka kui dielektriline vakstsus) on mõõt, kuidas materjal vähendab elektrivälja selle sees võrreldes vakuumiga. Vakuumi suhteline permittivsus on definitsiooni järgi 1.

Suhteline permittivsus mõjutab ioonide vahelise electrostaatilise jõu tugevust. Näiteks õhu suhteline permittivsus on umbes 1,0006, samas kui veesi suhteline permittivsus 20°C temperatuuril on umbes 80.

See tähendab, et kui NaCl lahkuvee, siis Na+ ja Cl- ioonide vahelise electrostaatilise jõu tugevus vee seas on 80 korda nõrgem kui õhus. Tulemuseks on, et Na+ ja Cl- ioonid lahkuvad üksteisest ja muutuvad vabad liikuda lahuses.

Ioniseerimisenergia ja selle tegurid

Üks tegur, mis mõjutab ioniseerimisprotsessi, on ioniseerimisenergia. Ioniseerimisenergia on energia, mis on vajalik, et eemaldada elektron isolleeritud, gaasiformalises aatomist või molekulist selle algses seisundis. Ioniseerimisenergiat tavaliselt väljendatakse kJ/mol, või energia, mis kulub kõigile aatomitele moles, et igaüks kaotaks ühe elektroni.

Ioniseerimisenergia sõltub mitmest tegurist, nagu aatomi number, aatomi raadius, elektronkonfiguratsioon ja sisemiste elektronide skreeninguefekt. Need tegurid mõjutavad, kuidas tugevalt tuumas hoiab valents-elektrone ja kui lihtsalt neid eemaldada.

Ioniseerimisenergia tavaliselt kasvab perioodis vasakult paremale ja väheneb gruppis ülevalt alla perioodilaulu tabelis. Sellel on põhjus:

• Aatomi number kasvab perioodis vasakult paremale, mis tähendab, et tuuma laeng kasvab, ja valents-elektronid on rohkem tuuma poole tiirlevad.

• Aatomi raadius väheneb perioodis vasakult paremale, mis tähendab, et valents-elektronid on lähedal tuuma, ja neid on raske eemaldada.

• Elektronkonfiguratsioon muutub perioodis vasakult paremale, mis tähendab, et mõned elemendid on stabiilsemad või poolikult täidetud orbitaalid, mis vajavad rohkem energiat, et lõhestada.

• Sisemiste elektronide skreeninguefekt kasvab gruppis ülevalt alla, mis tähendab, et valents-elektronid on vähem mõjutatud tuuma laengust ja neid on lihtsam eemaldada.

On mõned erandid sellele üldisele trendile, näiteks alkalimetaallid (grupp 2) ja lämmastikugrupi elemendid (grupp 15). Need elemendid on kõrgemad ioniseerimisenergiad kui nende naaber-elemendid, kuna neil on täielikult täidetud või poolikult täidetud orbitaalid, mis on stabiilsemad ja vastupidavamad ioniseerimise vastu.

Ioniseerimisenergia on oluline elementide keemilise käitumise ja nende tendentsi mõista, et moodustada kovalentseid või ionilisi sidemeid teiste elementidega. Elementid, millel on madalad ioniseerimisenergiad, tiivad elektrone ja moodustavad positiivseid ioone (kationeerid), samas kui elementid, millel on kõrge ioniseerimisenergiad, tiivad elektrone ja moodustavad negatiivseid ioone (anionid). Elementid, millel on sarnased ioniseerimisenergiad, jagavad elektrone ja moodustavad kovalentsed sidemed.

Näiteks natrium (Na) on madal ioniseerimisenergia 496 kJ/mol, samas kui kloor (Cl) on kõrge ioniseerimisenergia 1251,1 kJ/mol. Kui nad reageerivad, siis natrium kaotab elektroni ja muutub Na+, samas kui kloor saab elektroni ja muutub Cl-. Nad moodustavad ionilise sideme nende vastupidiste laengute vahelise electrostaatilise atraktsiooni kaudu.

Teisalt, süsinik (C) ja hapnik (O) on sarnased ioniseerimisenergiad 1086,5 kJ/mol ja 1313,9 kJ/mol vastavalt. Kui nad reageerivad, jagavad nad elektrone ja moodustavad kovalentsed sidemed nende orbitaalide ülekatkestuse kaudu. Nad moodustavad molekulid, nagu CO2 (süsinikdioksiid) või CO (süsinikmonooksiid).

Ioniseerimisenergia erinevus kahe reageeriva elemendi vahel saab kasutada, et ennustada nende moodustatavat sidemetüüpi. Suur erinevus (>1,7) viitab ionilisele sidemele, väike erinevus (<0,4) viitab polaarsetele kovalentsedele sidemetele ja keskmine erinevus (0,4-1,7) viitab polaarsetele kovalentsedele sidemetele.

Ioniseerimise näited erinevates kontekstides

Ioniseerimine võib toimuda erinevates kontekstides, nagu looduses, tehnoloogias ja labori katsetes. Siin on mõned näited ioniseerimisest erinevates situatsioonides:

• Looduses ioniseerimine võib toimuda, kui aatomid või molekulid on väljakutse korral, kui neile paistab kosmilise kiirguse, päikese või muude allikate kaudu. Näiteks päikese tuulet, mis koosneb päikese poolt emiteeritavatest laetud osakestest, võib ioniseerida aatomeid ja molekule Maailma ülemises atmosfääris, luues plasmikihi, mida nimetatakse ionosfäärina. Ionosfäär peegeldab ja sirverdab radiosaateid, võimaldades pikad kaugused side ja navigeerimise. Teine näide looduslikust ioniseerimisest on aurorade, mis on värvilised valguse näid, mida põhjustab laetud osakeste interaktsioon päikese tuulega ja Maailma magneetväli ja atmosfäär. Laetud osaked kollekteeruvad õhusega molekulidega ja ioniseerivad neid, põhjustades neid erinevate värvidega valgust, sõltuvalt nende energiatasemest ja tüübist.

• Tehnoloogias saab ioniseerimist kasutada erinevatel eesmärkidel, näiteks massspektromeetrias, kiirgusravis ja tuumafüüsioonis. Massspektromeetria on tehnik, mis mõõdab ionide massi-laengu suhte, mis on toodud ioniseerimisega materjalist. See tehnik saab kasutada, et tuvastada ja kvantifitseerida aineid, nagu ravimid, proteiinid, saasteained jne. Kiirgusravi on ravi, mis kasutab ioniseerivat kiirgust, et tapa vähirakud või vähendada tuume. Kiirgus kahjustab vähirakkude DNA-d ja takistab neid jagunemast ja levimas. Tuumafüüsioon on protsess, mis hõlmab kahe väikelaine tuumade ühendamist üheks rasvakalda tuumaks, vabastades suure energia koguse. See protsess nõuab väga kõrgeid temperatuure ja rõhkeid, et ületada positiivselt laetud tuumade vahelise electrostaatilise repulsiooni. Üks võimalus selle saavutamiseks on kasutada ioniseeritud gaasi või plasmasid fuusioreaktori kütuseks.

• Labori katsetes saab ioniseerimist innustada erinevatel meetoditel, näiteks rakendades elektrivälja, soojtes aine või avaldades ainele valgust. Näiteks elektrivälja abil saab ioniseerida gaasi diskreettabuss, loodes glodeva plasmas, mis heidab erinevaid lainepikkusi sõltuvalt gaasi tüübist. Aine soojtenemine võib põhjustada elektronide kaotamise ja ioniseerimise termilise agitatsiooni kaudu. Näiteks, kui natriumi metall soojdata lõkke, siis see heidab kollase valguse natriumi aatomite ioniseerimise tulemusena. Ainele valguse avaldamine võib põhjustada fotoneide absorbimise ja elektronide väljajätmise, tulemusena fotoiniseerimine. Näiteks, kui vesinik