یونیزاسیون مفهوم اساسی در شیمی و فیزیک است که تبدیل ذرات برق‌ناپذیر به ذرات برق‌دار را توصیف می‌کند.اتم‌ها یا مولکول‌ها به یون‌ها تبدیل می‌شوند. یونیزاسیون زمانی رخ می‌دهد که یک اتم یا مولکول یک یا چند الکترون به دست آورد یا از دست بدهد، که نتیجه آن بار مثبت یا منفی است. اتم یا مولکول باردار به آن یون گفته می‌شود.

یونیزاسیون می‌تواند به روش‌های مختلفی مانند برخوردها، واکنش‌های شیمیایی یا قرار گرفتن در معرض تابش الکترومغناطیسی رخ دهد. یونیزاسیون نقش مهمی در پدیده‌های طبیعی و فناوری دارد، مانند آئورورا، ارتباطات یونوسفری، طیف‌سنجی جرمی، درمان با تابش و ادغام هسته‌ای.

در این مقاله، ما فرآیند یونیزاسیون را با استفاده از نمک سدیم کلرید (NaCl) به عنوان مثال توضیح خواهیم داد. همچنین عوامل مؤثر بر فرآیند یونیزاسیون مانند انرژی یونیزاسیون و ثابت دی الکتریک نسبی محیط را نیز بررسی خواهیم کرد. در نهایت، نمونه‌هایی از یونیزاسیون در زمینه‌های مختلف ارائه خواهیم داد.

چه چیزی فرآیند یونیزاسیون است؟

فرآیند یونیزاسیون شامل انتقال الکترون‌ها بین اتم‌ها یا مولکول‌ها است. برای توضیح این فرآیند، مثال نمک سدیم کلرید (NaCl) را در نظر بگیرید که یک نمک معمولی است که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم.

سدیم کلرید شامل اتم‌های سدیم (Na) و کلر (Cl) است که با یک نیروی الکترواستاتیک به هم متصل شده‌اند. عدد اتمی Na و Cl به ترتیب ۱۱ و ۱۷ است، که به این معنی است که آن‌ها ۱۱ و ۱۷ الکترون در مدار پرتوان خود دارند.

ترتیب این الکترون‌ها در شکل زیر نشان داده شده است. الکترون‌ها در لایه‌ها یا مدارهای مختلف حول هسته، بر اساس سطوح انرژی خود توزیع شده‌اند. لایه بیرونی به آن لایه والانس گفته می‌شود و خصوصیات شیمیایی اتم را تعیین می‌کند.

همانطور که از شکل مشخص است، اتم Na فقط یک الکترون در لایه والانس خود دارد، در حالی که اتم Cl هفت الکترون در لایه والانس خود دارد. برای دستیابی به یک تنظیم پایدار، اتم‌ها تمایل دارند که هشت الکترون در لایه والانس خود داشته باشند، که به قانون اکتاگون معروف است.

بنابراین، هر دو اتم Na و Cl ناپایدار یا فعال شیمیایی هستند. وقتی به هم نزدیک می‌شوند، واکنش شیمیایی رخ می‌دهد که شامل تبادل الکترون‌ها است.

اتم Na الکترون والانس خود را از دست می‌دهد و به یک یون مثبت (Na+) تبدیل می‌شود، در حالی که اتم Cl یک الکترون به دست می‌آورد و به یک یون منفی (Cl-) تبدیل می‌شود. این فرآیند به آن یونیزاسیون گفته می‌شود.

یون‌های Na+ و Cl- با یک نیروی الکترواستاتیک به هم جذب می‌شوند و یک مولکول NaCl تشکیل می‌دهند. این نیرو متناسب با حاصل ضرب بارهای آن‌ها و عکس مجذور فاصله آن‌ها است، طبق قانون کولون.

معادله قانون کولون به صورت زیر است:

که در آن F نیرو، Q1 و Q2 بارها، r فاصله و εr ثابت دی الکتریک نسبی محیط است.

ثابت دی الکتریک نسبی (همچنین به آن ثابت دی الکتریک گفته می‌شود) میزانی است که یک ماده چقدر میدان الکتریکی را در داخل خود نسبت به خلاء کاهش می‌دهد. ثابت دی الکتریک خلاء ۱ است.

ثابت دی الکتریک نسبی قوت نیروی الکترواستاتیک بین یون‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عنوان مثال، ثابت دی الکتریک هوا حدود ۱.۰۰۰۶ است، در حالی که ثابت دی الکتریک آب در ۲۰ درجه سانتیگراد حدود ۸۰ است.

این به این معنی است که وقتی NaCl در آب حل می‌شود، نیروی الکترواستاتیک بین یون‌های Na+ و Cl- ۸۰ برابر ضعیف‌تر از هوا می‌شود. در نتیجه، یون‌های Na+ و Cl- از هم جدا می‌شوند و آزاد می‌شوند تا در محلول حرکت کنند.

انرژی یونیزاسیون و عوامل مؤثر بر آن

یکی از عوامل مؤثر بر فرآیند یونیزاسیون انرژی یونیزاسیون است. انرژی یونیزاسیون مقدار انرژی مورد نیاز برای خارج کردن یک الکترون از یک اتم یا مولکول گازی منزوی در حالت پایه است. انرژی یونیزاسیون معمولاً به کیلوژول بر مول (kJ/mol) بیان می‌شود یا مقدار انرژی مورد نیاز برای اینکه تمام اتم‌ها در یک مول یک الکترون از دست بدهند.

انرژی یونیزاسیون به چند عامل بستگی دارد، مانند عدد اتمی، شعاع اتمی، ترتیب الکترونی و اثر محافظتی الکترون‌های داخلی. این عوامل تأثیر می‌گذارند که چقدر هسته به قوی بودن الکترون‌های والانسی و چقدر آسان‌تر می‌توانند خارج شوند.

انرژی یونیزاسیون عموماً از چپ به راست در یک دوره افزایش می‌یابد و از بالا به پایین در یک گروه در جدول تناوبی کاهش می‌یابد. این به این دلایل است:

• عدد اتمی از چپ به راست در یک دوره افزایش می‌یابد، که به این معنی است که بار هسته‌ای افزایش می‌یابد و الکترون‌های والانسی بیشتر به هسته جذب می‌شوند.

• شعاع اتمی از چپ به راست در یک دوره کاهش می‌یابد، که به این معنی است که الکترون‌های والانسی به هسته نزدیک‌تر هستند و دشوارتر خارج می‌شوند.

• ترتیب الکترونی از چپ به راست در یک دوره تغییر می‌کند، که به این معنی است که برخی عناصر دارای مدارهای پایدار یا نیمه‌پر هستند که نیاز به انرژی بیشتری برای مختل شدن دارند.

• اثر محافظتی الکترون‌های داخلی از بالا به پایین در یک گروه افزایش می‌یابد، که به این معنی است که الکترون‌های والانسی کمتر تحت تأثیر بار هسته‌ای قرار می‌گیرند و آسان‌تر خارج می‌شوند.

بعضی استثناهایی وجود دارد که این روند کلی را رعایت نمی‌کنند، مانند فلزات آلکالایی خاکی (گروه ۲) و عناصر گروه نیتروژن (گروه ۱۵). این عناصر انرژی یونیزاسیون بیشتری نسبت به عناصر همسایه خود دارند چون یا مدارهای کاملاً پر یا نیمه‌پر دارند که پایدارتر و مقاوم‌تر در برابر یونیزاسیون هستند.

انرژی یونیزاسیون برای درک رفتار شیمیایی عناصر و تمایل آن‌ها به تشکیل پیوند کووالانسی یا یونی با عناصر دیگر مهم است. عناصر با انرژی یونیزاسیون پایین تمایل دارند الکترون‌ها را از دست بدهند و یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) تشکیل دهند، در حالی که عناصر با انرژی یونیزاسیون بالا تمایل دارند الکترون‌ها را به دست آورند و یون‌های منفی (آنیون‌ها) تشکیل دهند. عناصر با انرژی یونیزاسیون مشابه تمایل دارند الکترون‌ها را به اشتراک بگذارند و پیوند کووالانسی تشکیل دهند.

به عنوان مثال، سدیم (Na) انرژی یونیزاسیون پایین ۴۹۶ kJ/mol دارد، در حالی که کلر (Cl) انرژی یونیزاسیون بالا ۱۲۵۱.۱ kJ/mol دارد. وقتی با هم واکنش می‌دهند، سدیم یک الکترون از دست می‌دهد و به Na+ تبدیل می‌شود، در حالی که کلر یک الکترون به دست می‌آورد و به Cl- تبدیل می‌شود. آن‌ها با جاذبه الکترواستاتیک بین بارهای مخالف خود پیوند یونی تشکیل می‌دهند.

از طرف دیگر، کربن (C) و اکسیژن (O) انرژی یونیزاسیون مشابه ۱۰۸۶.۵ kJ/mol و ۱۳۱۳.۹ kJ/mol دارند. وقتی با هم واکنش می‌دهند، آن‌ها الکترون‌ها را به اشتراک می‌گذارند و با همپوشانی مدارهای خود پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهند. آن‌ها مولکول‌هایی مانند CO2 (دی‌اکسید کربن) یا CO (مونوکسید کربن) تشکیل می‌دهند.

تفاوت در انرژی یونیزاسیون بین دو عنصر واکنش‌دهنده می‌تواند برای پیش‌بینی نوع پیوندی که تشکیل می‌دهند استفاده شود. یک تفاوت بزرگ (˃1.7) پیوند یونی را نشان می‌دهد، یک تفاوت کوچک (˂0.4) پیوند کووالانسی غیرقطبی را نشان می‌دهد و یک تفاوت میانه (0.4-1.7) پیوند کووالانسی قطبی را نشان می‌دهد.

نمونه‌های یونیزاسیون در زمینه‌های مختلف

یونیزاسیون می‌تواند در زمینه‌های مختلفی مانند طبیعت، فناوری و آزمایش‌های آزمایشگاهی رخ دهد. در اینجا چند نمونه از یونیزاسیون در موقعیت‌های مختلف آورده شده است:

• در طبیعت، یونیزاسیون می‌تواند زمانی رخ دهد که اتم‌ها یا مولکول‌ها به تابش با انرژی بالا از پرتوهای کیهانی، خورشید یا منابع دیگر مواجه شوند. به عنوان مثال، باد خورشیدی که از ذرات بارداری که توسط خورشید تابیده می‌شوند تشکیل شده است، می‌تواند اتم‌ها و مولکول‌ها در اتمسفر بالایی زمین را یونیزه کند و لایه‌ای از پلاسمایی به نام یونوسفر ایجاد کند. یونوسفر موج‌های رادیویی را منعکس و انحراف می‌دهد و ارتباط و ناوبری در فواصل دور را ممکن می‌سازد. یک نمونه دیگر از یونیزاسیون طبیعی تشکیل آئورورا است