Ionizacija je osnovni koncept u kemiji i fizici koji opisuje transformaciju električno neutralnih atoma ili molekula u električno naelektrane. Ionizacija se događa kada atom ili molekula dobiva ili gubi jedan ili više elektrona, što rezultira pozitivnim ili negativnim nabojem. Naelektran atom ili molekula zove se ion.

Ionizacija se može dogoditi na različite načine, poput sudara, kemijskih reakcija ili izlaganja elektromagnetskom zračenju. Ionizacija igra važnu ulogu u mnogim prirodnim i tehnološkim pojavinama, poput poljoprivreka, komunikacije putem jonosfere, masenske spektroskopije, radioterapije i nuklearne fuzije.

U ovom članku objasniti ćemo proces ionizacije detaljno, koristeći kao primjer natrijum hlorid (NaCl). Također ćemo raspraviti o faktorima koji utječu na proces ionizacije, poput energije ionizacije i relativne permitivnosti medija. Na kraju, dati ćemo nekoliko primjera ionizacije u različitim kontekstima.

Što je Proces Ionizacije?

Proces ionizacije uključuje prenos elektrona između atoma ili molekula. Da bi ilustrirali ovaj proces, posmatrajmo slučaj natrijum hlorida (NaCl), koja je uobičajena so koju koristimo u svakodnevnom životu.

Natrijum hlorid sastoji se od natrijum (Na) atoma i hlor (Cl) atoma koji su držani zajedno elektrostatičkom silom. Atomski broj Na i Cl su 11 i 17, redom, što znači da imaju 11 i 17 elektrona koji kruže oko njihovih nukleusa.

Razmjestanje ovih elektrona prikazano je na slici ispod. Elektroni su raspoređeni u različitim ljustramа ili orbitama oko nukleusa, prema svojim energetskim razinama. Spoljna ljuska naziva se valentna ljuska, i ona određuje kemijske osobine atoma.

Kao što vidite na slici, Na atom ima samo jedan elektron u svojoj valentnoj ljusci, dok Cl atom ima sedam elektrona u svojoj valentnoj ljusci. Da bi postigli stabilnu konfiguraciju, atomi teže da imaju osam elektrona u svojoj valentnoj ljusci, slijedeći pravilo oktet.

Stoga, oba atoma, Na i Cl, su nestabilni ili kemijski aktivni. Kada se približe jedan drugom, podliježu kemijskoj reakciji koja uključuje razmjenu elektrona.

Na atom gubi svoj valentni elektron i postaje pozitivno naelektran ion (Na+), dok Cl atom dobiva elektron i postaje negativno naelektran ion (Cl-). Ovaj proces zove se ionizacija.

Na+ i Cl-ioni privlače se elektrostatičkom silom, formirajući NaCl molekul. Ova sila je proporcionalna produktu njihovih naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu njihove udaljenosti, prema Zakonu Coulomba.

Jednadžba za Zakon Coulomba glasi:

Gdje je F sila, Q1 i Q2 su naboji, r je udaljenost, a εr je relativna permitivnost medija.

Relativna permitivnost (također poznata kao dielektrična konstanta) je mjera toga koliko materijal smanjuje električno polje unutar sebe u usporedbi s vakuumom. Relativna permitivnost vakuma je 1 po definiciji.

Relativna permitivnost utječe na jačinu elektrostatičke sile između iona. Na primjer, relativna permitivnost zraka je oko 1.0006, dok je relativna permitivnost vode na 20°C oko 80.

To znači da kada se NaCl otopi u vodi, elektrostatična sila između Na+ i Cl- iona postaje 80 puta slabija nego u zraku. Kao rezultat, Na+ i Cl- ioni odvoje se jedan od drugog i postaju slobodni da se kreću u otopini.

Energija Ionizacije i Njeni Faktori

Jedan od faktora koji utječe na proces ionizacije je energija ionizacije. Energija ionizacije je količina energije potrebna za uklanjanje elektrona iz izoliranog, plinastog atoma ili molekule u njegovom osnovnom stanju. Energiјa ionizacije obično se izražava u kJ/mol, ili količina energije potrebna da svi atomi u molu izgube po jedan elektron.

Energija ionizacije ovisi o nekoliko faktora, poput atomskog broja, atomskog polumjera, elektronske konfiguracije i efekta štitnja unutarnjih elektrona. Ovi faktori utječu na to kako jaka je vezа nuklea na valentne elektrone i koliko lako se mogu ukloniti.

Energija ionizacije općenito raste s lijeva na desno u periodu i pada s vrha do dna grupe u periodičnom sustavu. To je zato što:

• Atomski broj raste s lijeva na desno u periodu, što znači da raste nuklearni naboj, a valentni elektroni su više privučeni ka nukleusu.

• Atomska veličina pada s lijeva na desno u periodu, što znači da su valentni elektroni bliži nukleusu i teže ih je ukloniti.

• Elektronska konfiguracija mijenja se s lijeva na desno u periodu, što znači da neki elementi imaju stabilnije ili polupune orbite koje zahtijevaju više energije za prekid.

• Efekt štitnja unutarnjih elektrona raste s vrha do dna grupe, što znači da valentni elektroni manje osećaju nuklearni naboj i lakše se mogu ukloniti.

Postoje neki izuzeci ovoj općenitoj tendenciji, poput alikalnih zemalja (grupa 2) i azotnih elemenata (grupa 15). Ovi elementi imaju veću energiju ionizacije od svojih susjednih elemenata jer imaju ili potpuno puna ili polupuna orbite, koje su stabilnije i otpornije na ionizaciju.

Energija ionizacije je važna za razumijevanje kemijskog ponašanja elemenata i njihove sklonosti stvarati kovalentne ili ionske veze s drugim elementima. Elementi s niskom energijom ionizacije teže da izgube elektrone i formiraju pozitivneione (katijone), dok elementi s visokom energijom ionizacije teže da dobiju elektrone i formiraju negativneione (anijone). Elementi s sličnom energijom ionizacije teže dijeliti elektrone i formirati kovalentne veze.

Na primjer, natrij (Na) ima nisku energiju ionizacije od 496 kJ/mol, dok hlor (Cl) ima visoku energiju ionizacije od 1251.1 kJ/mol. Kada reagiraju, natrij izgubi elektron i postane Na+, dok hlor dobiva elektron i postane Cl-. Formiraju ionsku vezu elektrostatičnim privlačenjem među njihovim suprotim nabojevima.

S druge strane, ugljik (C) i kisik (O) imaju sličnu energiju ionizacije od 1086.5 kJ/mol i 1313.9 kJ/mol, redom. Kada reagiraju, dijele elektrone i formiraju kovalentne veze preklapanjem svojih orbitala. Formiraju molekule poput CO2 (ugljik dioksid) ili CO (ugljik monoksid).

Razlika u energiji ionizacije između dva reagirajuća elementa može se koristiti za predviđanje tipa veze koju formiraju. Velika razlika (>1.7) ukazuje na ionsku vezu, mala razlika (<0.4) ukazuje na nepolarne kovalentne veze, a srednja razlika (0.4-1.7) ukazuje na polarne kovalentne veze.

Primjeri Ionizacije u Različitim Kontekstima

Ionizacija se može dogoditi u različitim kontekstima, poput prirode, tehnologije i laboratorijskih eksperimenata. Evo nekoliko primjera ionizacije u različitim situacijama:

• U prirodi, ionizacija se može dogoditi kada atomi ili molekule budu izloženi visokoenergetskom zračenju od kosmičkih zraka, Sunca ili drugih izvora. Na primjer, sunčev vjetar, koji se sastoji od naelektranih čestica emitanatih od Sunca, može ionizirati atome i molekule u Zemljinoj gornjoj atmosferi, stvarajući sloj plazme poznat kao ionosfera. Ionosfera reflektira i refraktira radio talasе, omogućujući dugudaljinu komunikaciju i navigaciju. Još jedan primjer prirodne ionizacije je formiranje aurora, koje su bojane prikaze svjetlosti uzrokovane interakcijom naelektranih čestica iz sunčevog vjetra s Zemljinim magnetnim poljem i atmosferom. Naelektrane čestice sudaraju se s molekulama zraka i ioniziraju ih, uzrokujući da emitiraju svjetlost različitih boja ovisno o njihovim energetskim razinama i vrstama.

• U tehnologiji, ionizacija se može koristiti za različite svrhe, poput masenske spektroskopije, radioterapije i nuklearne fuzije. Masenska spektroskopija je tehnika koja mjeri omjer mase i naboja iona proizvedenih ionizacijom uzorka tvari. Ova tehnika se može koristiti za identifikaciju i kvantifikaciju kemijskog sastava tvari, poput lijekova, proteina, zagađivača itd. Radioterapija je tretman koji koristi ionizirajuće zračenje za ubijanje rakovih stanica ili smanjenje tumora. Zračenje oštećuje DNA rakovih stanica i sprečava ih da se dijele i šire. Nuklearna fuzija je proces koji uključuje spajanje dva lagana nukleusa u teži, oslobađajući veliku količinu energije. Ovaj proces zahtijeva vrlo visoke temperature i tlakove da bi se premoćili elektrostatički odbitak između pozitivno naelektranih nukleusa. Jedan način da se to postigne jest korištenjem ioniziranog plina ili plazme kao goriva za reaktore fuzije.

• U laboratorijskim eksperimentima, ionizaciju se može inducirati različitim metodama, poput primjene električnog polja, zagrijavanja tvari ili izlaganja tvari svjetlosti. Na primjer, električno polje se može koristiti za ionizaciju plina u izbočnoj cijevi, stvarajući sjajnu plazmu koja emitira svjetlost različitih valnih duljina ovisno o vrsti plina. Zagrijavanje tvari može uzrokovati da izgubi elektrone i postane ionizirana zbog termalne agitacije. Na primjer, kada se metalički natrij zagrije u plamenу, emitira žuti svjetlost zbog ionizacije natrijnih atoma. Izlaganje tvari svjetlosti može uzrokovati da apsorbira fotone i ispušta elektrone, rezultirajući fotoionizacijom. Na primjer, kada se plinoviti vodik izloži ultraljubaznom svjetlosti, apsorbira fotone i ispušta elektrone, stvarajući vodikoveione i slobodne elektrone.

Zaključak