Ionisaatio on perustavanlaatuinen käsite kemiassa ja fysiikassa, joka kuvaa sähköisesti neutraalien atomien tai molekyylien muuttumista sähköisesti varautuneiksi. Ionisaatio tapahtuu, kun atoomi tai molekyyli saa tai menettää yhden tai useamman elektronin, mikä johtaa positiiviseen tai negatiiviseen varaukseen. Varautunut atoomi tai molekyyli kutsutaan ioniksi.

Ionisaatio voi tapahtua eri tavoin, kuten törmäyksien, kemiallisten reaktioiden tai sähkömagneettisen säteilyn altistumisen kautta. Ionisaatio on tärkeä monissa luonnollisissa ja teknologisissa ilmiöissä, kuten valonvarjoissa, ionosfääri kommunikaatiossa, massaspektrometriassa, sädehoitossa ja ydin fuusiossa.

Tässä artikkelissa selitetään ionisaatioprosessi yksityiskohtaisesti käyttäen natriumkloridia (NaCl) esimerkkinä. Keskustelemme myös tekijöistä, jotka vaikuttavat ionisaatioprosessiin, kuten ionisaatioenergia ja suhteellinen permittiivisyys mediumia. Lopuksi annamme joitakin esimerkkejä ionisaatiosta eri yhteyksissä.

Mikä on ionisaatioprosessi?

Ionisaatioprosessi sisältää elektronien siirtymisen atomeja tai molekyylejä välillä. Kuvamaan tätä prosessia, harkitsemme natriumkloridin (NaCl) tapausta, joka on yleinen suola, jonka käytämme arkipäivän elämässä.

Natriumkloridi koostuu natrium (Na) atomeista ja kloori (Cl) atomeista, jotka ovat sidottuja toisiinsa elektrostaattisella voimalla. Natriumin ja kloorin atomiluvut ovat 11 ja 17, jolloin niillä on 11 ja 17 elektronia kiertämässä niiden ytimiä.

Näiden elektronien järjestely näkyy alla olevassa kuvassa. Elektronit jakautuvat eri kuoreihin tai orbiiteihin ympäröidessään ydintä, mukaan lukien niiden energiatasot. Ulkoisin kuori on nimeltään valenssi kuori, ja se määrittelee atomiin liittyvät kemialliset ominaisuudet.

Kuten näet kuvasta, Na-atomin valenssi kuoriin kuuluu vain yksi elektroni, kun taas Cl-atomin valenssi kuoriin kuuluu seitsemän elektronia. Tavoitteena on, että atomit pyrkivät saamaan valenssi kuorilleen kahdeksan elektronia, mukautuen oktettilaitokseen.

Siksi sekä Na- että Cl-atomit ovat epästabiileja tai kemiallisesti aktiivisia. Kun ne lähestyvät toisiaan, ne kokevat kemiallisen reaktion, joka sisältää elektronien vaihtoa.

Na-atomi menettää valenssi elektroninsa ja muuttuu positiiviseksi ioniksi (Na+), kun taas Cl-atomi saa elektronin ja muuttuu negatiiviseksi ioniksi (Cl-). Tämä prosessi kutsutaan ionisaatioksi.

Na+ ja Cl- ionit vetävät toisiaan elektrostaattisella voimalla, muodostaen NaCl-molekyylin. Tämä voima on verrannollinen niiden varauksien tulon kanssa ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliön kanssa, Coulombin laissa määritetty.

Coulombin lain yhtälö on:

Missä F on voima, Q1 ja Q2 ovat varaukset, r on etäisyys, ja εr on mediumin suhteellinen permittiivisyys.

Suhteellinen permittiivisyys (myös kutsuttu dielanttisuudeksi) on mittari, joka ilmaisee, kuinka paljon materiaali vähentää sähkökenttä sen sisällä verrattuna tyhjiöön. Tyhjiön suhteellinen permittiivisyys on määritelty 1:ksi.

Suhteellinen permittiivisyys vaikuttaa ionien väliseen elektrostaattiseen voimaan. Esimerkiksi ilman suhteellinen permittiivisyys on noin 1.0006, kun taas veden suhteellinen permittiivisyys 20°C:ssa on noin 80.

Tämä tarkoittaa, että kun NaCl sulautuu veteen, Na+ ja Cl- ionien väliset elektrostaattiset voimat heikkenevät 80-kertaiseksi verrattuna ilmaan. Tämän seurauksena Na+ ja Cl- ionit erottuvat toisistaan ja pystyvät liikkumaan vapaasti liuoksessa.

Ionisaatioenergia ja sen tekijät

Yksi tekijä, joka vaikuttaa ionisaatioprosessiin, on ionisaatioenergia. Ionisaatioenergia on energia, joka tarvitaan yhden elektronin poistamiseen eristettyä, kaasuasetelmassa olevaa atomea tai molekyyliehdosta sen perusasetelmassa. Ionisaatioenergia ilmaistaan yleensä kJ/mol, tai energia, joka kuluu kaikkien atomeiden elektronin menettämiseen molissa.

Ionisaatioenergia riippuu useista tekijöistä, kuten atomiluvusta, atomin säteestä, elektronikonfiguraatiosta ja sisäisten elektronien suojatehosta. Nämä tekijät vaikuttavat siihen, kuinka vahvasti ydin pitää valenssielektroneja ja kuinka helposti ne voidaan poistaa.

Ionisaatioenergia yleensä kasvaa vasemmasta oikealle jaksossa ja vähenee ylhäältä alas ryhmässä jaksollisessa järjestelmässä. Tämä johtuu siitä, että:

• Atomiluku kasvaa vasemmasta oikealle jaksossa, mikä tarkoittaa, että ydinvaraus kasvaa, ja valenssielektronit ovat enemmän kiinnostuneita ytimeen.

• Atomin säde pienenee vasemmasta oikealle jaksossa, mikä tarkoittaa, että valenssielektronit ovat lähempänä ytimeä ja vaikeampia poistaa.

• Elektronikonfiguraatio muuttuu vasemmasta oikealle jaksossa, mikä tarkoittaa, että jotkut alkiot ovat vakaiden tai puolittain täytettyjen orbiittien takia, jotka vaativat enemmän energiaa häiritä.

• Sisäisten elektronien suojateho kasvaa ylhäältä alas ryhmässä, mikä tarkoittaa, että valenssielektronit ovat vähemmän vaikutuksen alle ydinvarauksen ja helpompi poistaa.

On joitakin poikkeuksia tähän yleiseen trendiin, kuten maaperämetallit (ryhmä 2) ja typen ryhmän alkiot (ryhmä 15). Nämä alkiot ovat korkeampia ionisaatioenergioilla kuin naapurialkiot, koska ne ovat täysin täytettyjä tai puolittain täytettyjä orbiitteja, jotka ovat vakaita ja vastustavat ionisaatiota.

Ionisaatioenergia on tärkeä ymmärtää alkioiden kemiallinen käyttäytyminen ja niiden taipumus muodostaa kovalenttisia tai ionisia siteitä muiden alkioiden kanssa. Alkiot, joilla on matalat ionisaatioenergiat, pyrkivät menettämään elektronit ja muodostamaan positiivisia ionit (kationi), kun taas alkiot, joilla on korkeat ionisaatioenergiat, pyrkivät saamaan elektronit ja muodostamaan negatiivisia ionit (aniioni). Alkiot, joilla on samankaltaisia ionisaatioenergioita, pyrkivät jakamaan elektronit ja muodostamaan kovalenttisia siteitä.

Esimerkiksi natrium (Na) on matala ionisaatioenergia 496 kJ/mol, kun taas kloori (Cl) on korkea ionisaatioenergia 1251.1 kJ/mol. Kun ne reagoivat, natrium menettää elektronin ja muuttuu Na+:ksi, kun taas kloori saa elektronin ja muuttuu Cl-:ksi. Ne muodostavat ionisen siteen elektrostaattisella vetovoimalla niiden päinvastaisilla varauksilla.

Toisaalta hiili (C) ja hapetti (O) ovat samankaltaisia ionisaatioenergioilla 1086.5 kJ/mol ja 1313.9 kJ/mol, vastaavasti. Kun ne reagoivat, ne jakavat elektronit ja muodostavat kovalenttisia siteitä orbiittiensä päällekkäisyydellä. Ne muodostavat molekyylejä, kuten CO2 (hiilidioksidia) tai CO (hiilimonoksidia).

Reagoivien alkioiden välisen ionisaatioenergian eroa voidaan käyttää ennustamaan niiden muodostaman siteen tyyppi. Suuri ero (>1.7) viittaa ioniseen siteeseen, pieni ero (<0.4) viittaa ei-polariseen kovalenttiseen siteeseen, ja keskitason ero (0.4-1.7) viittaa polariseen kovalenttiseen siteeseen.

Esimerkkejä ionisaatiosta eri yhteyksissä

Ionisaatio voi tapahtua eri yhteyksissä, kuten luonnossa, teknologiassa ja laboratoriotesteissä. Tässä on joitakin esimerkkejä ionisaatiosta eri tilanteissa:

• Luonnossa ionisaatio voi tapahtua, kun atomeja tai molekyylejä altistetaan korkean energian säteilylle kosmisista säteiltä, Aurinkosta tai muista lähteistä. Esimerkiksi aurinkosäde, joka koostuu Aurinkoon syntyneistä varautuneista partikuleista, voi ionisoida Maan yläilmaston atomeja ja molekyylejä, luoden plasmakerroksen, jota kutsutaan ionosfääriksi. Ionosfääri heijastaa ja sirpaleilee radiowaveja, mahdollistaen pitkän matkan kommunikaation ja navigoinnin. Toinen esimerkki luonnollisesta ionisaatiosta on revontulet, jotka ovat värikästä valoa, joka aiheutuu varautuneiden partikuloiden vuorovaikutuksesta Aurinkon magneettikenttän ja ilmakehän kanssa. Varautuneet partikuloiden törmäävät ilmakehän molekyyleihin ja ionisoivat ne, aiheuttaen niiden eri värisen valon eri energiatasoista ja tyypeistä riippuen.

• Teknologiassa ionisaatiota voidaan käyttää eri tarkoituksiin, kuten massaspektrometriassa, sädehoitossa ja ydin fuusiossa. Massaspektrometri on teknikka, joka mitataa ionien massa-varauksensuhdetta, jotka tuotetaan ionisoiden aineen näyte. Tätä teknikkaa voidaan käyttää tunnistamaan ja kvantifioimaan aineiden kemiallista koostetta, kuten lääkkeitä, proteiineja, saasteita jne. Sädehoito on hoito, joka käyttää ionisointiradiaatiota tappamaan syöpäsoluja tai pienentämään syöpäkasvaimia. Radiatiodamage syöpäsolujen DNA:ta ja estää niitä jakoja ja levittymistä. Ydin fuusio on prosessi, joka sisältää kahden kevyen ytimen yhdistämisen painavampaan, vapauttaen suuren energiamäärän. Tämä prosessi vaatii hyvin korkeita lämpötiloja ja paineita ylitää positiivisesti varautuneiden ytimien välisen elektrostaattisen repulson. Yksi tapa saavuttaa tämä on käyttää ionisoitua kaasua tai plasmapaljuina fuusioreaktoreissa.

• Laboratoriotesteissä ionisaatiota voidaan aiheuttaa eri menetelmillä, kuten sähkökentän soveltamisella, aineen lämmittämällä tai altistamalla aineen valolle. Esimerkiksi sähkökenttä voidaan käyttää ionisoiden kaasua purkupussissa, luoden loisteavan plasman, joka heijastaa eri pituuden aallonvaloja riippuen kaasun tyypistä. Aineen lämmittäminen voi aiheuttaa sen menettämään elektronit ja ionisoida termisen vilkastumisen vuoksi. Esimerkiksi, kun natriummetalli lämmittyy liekissä, se heijastaa keltaista valoa natriumatomien ionisoinnin vuoksi. Aineen altistaminen valolle voi aiheuttaa sen absorboimaan fotonit ja pudottamaan elektronit, aiheuttaen fotoionisaation. Esimerkiksi, kun vetykaasu altistetaan ultraviolettivalolle, se