A ionización é un concepto fundamental en química e física que describe a transformación de átomos ou moléculas eléctricamente neutrosátomos ou moléculas en eléctricamente cargados. A ionización ocorre cando un átomo ou molécula gaña ou perde un ou máis electróns, resultando nunha carga positiva ou negativa. O átomo ou molécula cargado chámase ión.

A ionización pode ocorrer de varias formas, como a través de colisións, reaccións químicas ou exposición a radiación electromagnética. A ionización xoga un papel importante en moitos fenómenos naturais e tecnolóxicos, como as auroras, a comunicación ionosférica, a espectrometría de masa, a terapia de radiación e a fusión nuclear.

Neste artigo, explicaremos o proceso de ionización en detalle, usando o cloruro de sodio (NaCl) como exemplo. Tamén discutiremos os factores que afectan ao proceso de ionización, como a enerxía de ionización e a permitividade relativa do medio. Finalmente, proporcionaremos algunhas exemplos de ionización en diferentes contextos.

Que é o Proceso de Ionización?

O proceso de ionización implica a transferencia de electróns entre átomos ou moléculas. Para ilustrar este proceso, consideremos o caso do cloruro de sodio (NaCl), que é un sal común que usamos na nosa vida diaria.

O cloruro de sodio consiste en átomos de sodio (Na) e átomos de cloro (Cl) que están unidos por unha forza electrostática. O número atómico de Na e Cl son 11 e 17, respectivamente, o que significa que teñen 11 e 17 electróns orbitando arredor dos seus núcleos.

A disposición destes electróns móstrase na figura a continuación. Os electróns están distribuídos en diferentes conchas ou órbitas arredor do núcleo, segundo os seus niveis de enerxía. A concha máis externa chámase concha de valencia, e determina as propiedades químicas do átomo.

Como pode ver na figura, o átomo de Na ten só un electrón na súa concha de valencia, mentres que o átomo de Cl ten sete electróns na súa concha de valencia. Para lograr unha configuración estable, os átomos tenden a ter oito electróns na súa concha de valencia, seguindo a regra do octeto.

Por tanto, ambos os átomos de Na e Cl son inestables ou quimicamente activos. Cando se acercan uns aos outros, sufren unha reacción química que implica o intercambio de electróns.

O átomo de Na perde o seu electrón de valencia e converteuse nun ión positivamente cargado (Na+), mentres que o átomo de Cl gaña un electrón e converteuse nun ión negativamente cargado (Cl-). Este proceso chámase ionización.

Os íones Na+ e Cl- son atraídos entre si por unha forza electrostática, formando unha molécula de NaCl. Esta forza é proporcional ao produto das súas cargas e inversamente proporcional ao cadrado da súa distancia, segundo a lei de Coulomb.

A ecuación para a lei de Coulomb é:

Onde F é a forza, Q1 e Q2 son as cargas, r é a distancia, e εr é a permitividade relativa do medio.

A permitividade relativa (tamén chamada constante dieléctrica) é unha medida de cantísimo un material reduce o campo eléctrico dentro del comparado cun vacío. A permitividade relativa do vacío é 1 por definición.

A permitividade relativa afecta a forza electrostática entre íones. Por exemplo, a permitividade relativa do aire é aproximadamente 1.0006, mentres que a permitividade relativa da auga a 20°C é aproximadamente 80.

Isto significa que cando o NaCl se disolve na auga, a forza electrostática entre os íones Na+ e Cl- fícase 80 veces máis débil que no aire. Como resultado, os íones Na+ e Cl- separanse entre si e libéranse para moverse na solución.

Enerxía de Ionización e os Seus Factores

Un dos factores que afectan ao proceso de ionización é a enerxía de ionización. A enerxía de ionización é a cantidade de enerxía necesaria para eliminar un electrón dun átomo ou molécula gaseoso aislado no seu estado fundamental. A enerxía de ionización exprésase xeralmente en kJ/mol, ou a cantidade de enerxía que leva para que todos os átomos nun mol perdán un electrón cada un.

A enerxía de ionización depende de varios factores, como o número atómico, o raio atómico, a configuración electrónica e o efecto de escudo dos electróns internos. Estes factores influen en como de forte o núcleo retén os electróns de valencia e canto facilmente poden ser eliminados.

A enerxía de ionización xeralmente aumenta de esquerda a dereita a través dun período e diminúe de arriba a abaixo nun grupo na táboa periódica. Isto é porque:

• O número atómico aumenta de esquerda a dereita a través dun período, o que significa que a carga nuclear aumenta, e os electróns de valencia son máis atraídos polo núcleo.

• O raio atómico diminúe de esquerda a dereita a través dun período, o que significa que os electróns de valencia están máis próximos ao núcleo e son máis difíciles de eliminar.

• A configuración electrónica cambia de esquerda a dereita a través dun período, o que significa que algúns elementos teñen órbitais máis estables ou medios cheos que requiren máis enerxía para interromper.

• O efecto de escudo dos electróns internos aumenta de arriba a abaixo nun grupo, o que significa que os electróns de valencia son menos afectados pola carga nuclear e son máis facilmente eliminados.

Hai algúns excepcións a esta tendencia xeral, como os metais alcalinotérreos (grupo 2) e os elementos do grupo do nitróxeno (grupo 15). Estes elementos teñen enerxías de ionización máis altas que os seus elementos veciños porque teñen órbitais completamente cheos ou medios cheos, que son máis estables e resistentes á ionización.

A enerxía de ionización é importante para comprender o comportamento químico dos elementos e a súa tendencia a formar ligazóns covalentes ou iónicas con outros elementos. Elementos con baixas enerxías de ionización tenden a perder electróns e formar íones positivos (cationes), mentres que elementos con altas enerxías de ionización tenden a gañar electróns e formar íones negativos (aniones). Elementos con enerxías de ionización similares tenden a compartir electróns e formar ligazóns covalentes.

Por exemplo, o sodio (Na) ten unha baixa enerxía de ionización de 496 kJ/mol, mentres que o cloro (Cl) ten unha alta enerxía de ionización de 1251.1 kJ/mol. Cando reaccionan, o sodio perde un electrón e converteuse en Na+, mentres que o cloro gaña un electrón e converteuse en Cl-. Forman unha ligazón iónica pola atracción electrostática entre as súas cargas opostas.

Por outro lado, o carbono (C) e o oxíxeno (O) teñen enerxías de ionización similares de 1086.5 kJ/mol e 1313.9 kJ/mol, respectivamente. Cando reaccionan, comparten electróns e forman ligazóns covalentes superponendo as súas órbitais. Forman moléculas como CO2 (dióxido de carbono) ou CO (monóxido de carbono).

A diferenza nas enerxías de ionización entre dous elementos que reaccionan pode utilizarse para predecir o tipo de ligazón que forman. Unha gran diferenza (>1.7) indica unha ligazón iónica, unha pequena diferenza (<0.4) indica unha ligazón covalente non polar e unha diferenza intermedia (0.4-1.7) indica unha ligazón covalente polar.

Exemplos de Ionización en Diferentes Contextos

A ionización pode ocorrer en diversos contextos, como na natureza, na tecnoloxía e en experimentos de laboratorio. Aquí hai algunhas exemplos de ionización en diferentes situacións:

• Na natureza, a ionización pode ocorrer cando átomos ou moléculas están expostos a radiación de alta enerxía de raios cósmicos, o Sol ou outras fontes. Por exemplo, o vento solar, que consiste en partículas cargadas emitidas polo Sol, pode ionizar os átomos e moléculas na atmosfera superior da Terra, creando unha capa de plasma chamada ionosfera. A ionosfera reflete e refracta ondas de radio, permitindo a comunicación e a navegación a longa distancia. Outro exemplo de ionización natural é a formación de auroras, que son exhibicións de luz de cores causadas pola interacción de partículas cargadas do vento solar co campo magnético e a atmosfera da Terra. As partículas cargadas colisionan con moléculas de aire e ionizanlas, facendo que emitan luz de diferentes cores dependendo dos seus niveis de enerxía e tipos.

• Na tecnoloxía, a ionización pode utilizarse para varios propósitos, como na espectrometría de masa, na terapia de radiación e na fusión nuclear. A espectrometría de masa é unha técnica que mide a relación masa-carga de íones producidos mediante a ionización dunha mostra de materia. Esta técnica pode utilizarse para identificar e cuantificar a composición química de substancias, como medicamentos, proteínas, contaminantes, etc. A terapia de radiación é un tratamento que utiliza radiación ionizante para matar células cancerosas ou reducir tumores. A radiación danifica o ADN das células cancerosas e evita que se dividan e propaguen. A fusión nuclear é un proceso que implica fundir dous núcleos leves nun máis pesado, liberando unha grande cantidade de enerxía. Este proceso require temperaturas e presións moi altas para superar a repulsión electrostática entre os núcleos positivamente cargados. Unha forma de lograr isto é utilizando gas ionizado ou plasma como combustible para reactores de fusión.

• En experimentos de laboratorio, a ionización pode inducirse por varios métodos, como aplicando un campo eléctrico, calentando unha substancia ou exponendo unha substancia á luz. Por exemplo, un campo eléctrico pode utilizarse para ionizar un gas nun tubo de descarga, creando un plasma luminoso que emite luz de diferentes lonxitudes de onda dependendo do tipo de gas. Calentar unha substancia pode facer que perca electróns e convértase en ionizada debido á agitación térmica. Por exemplo, cando o metal de sodio está calentado nunha llama, emite luz amarela debido á ionización de átomos de sodio. Expor unha substancia á luz pode facer que absorba fotóns e ejeta electróns, resultando en fotoionización. Por exemplo, cando o gas de hidróxeno está exposto a luz ultravioleta, absorbe fotóns e libera electróns, creando íones de hidróxeno e electróns libres.

Conclusión

A ionización é un proceso que cambia a carga eléctrica de átomos ou moléculas gañando ou perdedo electróns. A ionización pode ocorrer de varias formas, como a través de colisións, reaccións químicas ou exposición a radiación electromagnética. A ionización afecta as propiedades químicas e físicas da materia e xoga un papel importante en moitos fenómenos naturais e tecnolóxicos.

Neste artigo, explicamos o proceso de ionización utilizando o cloruro de sodio como exemplo. Tamén discutimos os factores que afectan ao proceso de ionización, como a enerxía de ionización e a permitividade relativa do medio. Finalmente, proporcionamos algunhas exemplos de ionización en diferentes contextos, como na natureza, na tecnoloxía e en experimentos de laboratorio.

Declaración: Respete o original, artigos bóis merécen ser compartidos, se hai infracción por favor contacte para eliminar.