Ionization er grunnvallar hugmynd í efnafræði og eðlisfræði sem lýsir um brottnám óhlaupsgjafra átoma eða sameindirnar í hlaupsgjafa. Ionization gerist þegar átomi eða sameindi fær eða tapar einn eða fleiri elektróna, sem leiðir til jákvæðs eða neikvæðs afla. Hlaupsgjafinn átomi eða sameindin kallað er ion.

Ionization getur gerst á ýmsan hátt, eins og með snertingum, efnavandkvæðum eða álit við geislavirkni. Ionization spilur mikil atriði í mörgum náttúrulegum og tækniþekkingarfenómenum, eins og norðurljós, fjarkamálsgreinir, massspektrometrí, geislarannsóknir og kjarnsmelding.

Í þessu greinum munum við skýra ionization ferlið í smáatriðum, með sódíumkloríð (NaCl) sem dæmi. Við munum einnig ræða þá atriði sem hefur áhrif á ionization ferlið, eins og ionization orku og hlutföllstillið miðilsins. Að lokum munum við gefa nokkur dæmi um ionization í mismunandi samhengi.

Hvað er ionization ferlið?

Ionization ferlið inniheldur flutning af elektrónum milli átoma eða sameinda. Til að lýsa þessu ferli, látum okkur nú skoða tilfellið sódíumkloríð (NaCl), sem er algengt sól sem við notum daglega.

Sódíumkloríð er búið til af sódíum (Na) átómum og klor (Cl) átómum sem eru bundin saman með elektrostæða veltu. Atómatala Na og Cl eru 11 og 17, áður en þeir hafa 11 og 17 elektróna sem ferja um kjarna sína.

Uppbygging þessa elektróna er sýnd í myndinni hér fyrir neðan. Elektrónin eru dreift í mismunandi hölum eða spor sem ferja um kjarna, eftir því hvaða orkuþunglyndi þau hafa. Yttimsta hóllinn kallaður valenshóllur, og hann ákvarðar efnavandkvæði átakins.

Að sjá af myndinni, Na átomi hefur bara eitt elektrón í valenshóllnum sínum, en Cl átomi hefur sjö elektróna í valenshóllnum sínum. Til að ná stöðugri skipulag, tenda átöm til að hafa átta elektróna í valenshóllnum sínum, eftir oktatilnámgjöfnina.

Þar af leiðandi eru bæði Na og Cl átöm óstöðug eða efnavandkvæð. Þegar þeir kemast nær hver öðrum, fara þeir í efnavandkvæð sem fer með flutning af elektrónum.

Na átomi mist elektrón í valenshóllnum sínum og verður jákvæður ion (Na+), en Cl átomi fær elektrón og verður neikvæður ion (Cl-). Þetta ferli kallað er ionization.

Na+ og Cl- ions eru dragin saman af elektrostæða veltu, formandi NaCl sameind. Þessi velta er hlutfallslega jöfn margfeldi af aflum þeirra og andhverfanlegt jöfn ferning af fjarlægð þeirra, eftir Coulomb's lögum.

Jafnan fyrir Coulomb's lög er:

Þar sem F er velta, Q1 og Q2 eru afl, r er fjarlægð, og εr er hlutföllstillið miðilsins.

Hlutföllstilli (einnig kallaður dielectric constant) er mæling á hversu mikið efni lækkar rafmagnsfaltið innan hans í samanburði við tölvu. Hlutföllstilli tölvu er 1 með skilgreiningu.

Hlutföllstilli hefur áhrif á styrk elektrostæða veltu milli ions. Til dæmis, hlutföllstilli loft er um 1,0006, en hlutföllstilli vatns við 20°C er um 80.

Þetta merkir að þegar NaCl losnar í vatni, elektrostæða velta milli Na+ og Cl- ions verður 80 sinnum veikari en í lofti. Sem eftirfarandi, Na+ og Cl- ions skiptast frá hvorum öðru og verða frit til að hreyfa sig í lausninni.

Ionization orka og hana atriði

Eitt af atriðunum sem hefur áhrif á ionization ferlið er ionization orka. Ionization orka er magn orkur sem þarf til að fjarlægja elektrón úr einstaka, gasslykt átomi eða sameindi í grundsemdarstöðu. Ionization orka er oft sett fram í kJ/mol, eða magn orkur sem þarf til að allir átöm í mol falla fjarlægja eitt elektrón hver.

Ionization orka fer eftir mörgum atriðum, eins og atómatala, atómarradius, elektrónaskipulag, og skýringarefni innera elektróna. Þessi atriði hefur áhrif á hversu starka kjarni haldar valens elektróna og hversu auðvelt er að fjarlægja þau.

Ionization orka stígur yfirleitt frá vinstri til hægri í tíma og lækkar frá efstu niður í hóp í efnafræðitöflunni. Þetta er vegna þess:

• Atómatala stígur frá vinstri til hægri í tíma, sem merkir að kjarnalausn stígur, og valens elektróna eru frekar dragin til kjarnans.

• Atómarradius lækkar frá vinstri til hægri í tíma, sem merkir að valens elektróna eru nærra kjarnans og erfara aukin möguleika á að vera fjarlægð.

• Elektrónaskipulag breytist frá vinstri til hægri í tíma, sem merkir að sumir efni hafa frekar stöðug eða hálfsfulla spor sem krefjast meira orku til að skipta.

• Skýringarefni innera elektróna stígur frá efstu niður í hóp, sem merkir að valens elektróna eru minna áhrif á kjarnalausn og erfara aukin möguleika á að vera fjarlægð.

Það eru nokkur undantekningar við þessa almennt stefnu, eins og alkali-jörðefnin (hópur 2) og kvíklín-hópur (hópur 15). Þessi efni hafa hærri ionization orku en aðgrandisein efni þeirra vegna þess að þau hafa annaðhvort fullt eða hálfsfullt spor, sem eru frekar stöðug og motvilji í að vera fjarlægð.

Ionization orka er mikilvæg til að skilja efnavandkvæði efna og þeirra áhuga á að mynda band eða ions með öðrum efnum. Efni með lága ionization orku tenda til að fjarlægja elektróna og mynda jákvæða ions (cations), en efni með hár ionization orku tenda til að fá elektróna og mynda neikvæða ions (anions). Efni með sama ionization orku tenda til að deila elektróna og mynda band.

Til dæmis, sódíum (Na) hefur lága ionization orku 496 kJ/mol, en klor (Cl) hefur hár ionization orku 1251,1 kJ/mol. Þegar þeir fara í efnavandkvæði, sódíum fjarlægir elektrón og verður Na+, en klor fær elektrón og verður Cl-. Þeir mynda ions band með elektrostæða veltu milli aflanna.

Á hins vegar, kol (C) og sveim (O) hafa sama ionization orku 1086,5 kJ/mol og 1313,9 kJ/mol. Þegar þeir fara í efnavandkvæði, deila þeir elektróna og mynda band með samþyngd spor. Þeir mynda sameindi eins og CO2 (kolvetnis) eða CO (kolmonoksíd).

Mismunur í ionization orku milli tveggja efna sem fara í efnavandkvæði getur verið notað til að spá fyrir um tegund banda sem myndast. Stór mismunur (>1,7) bendir á ions band, litill mismunur (<0,4) bendir á ópólband og miðlungs mismunur (0,4-1,7) bendir á pólband.

Dæmi um ionization í mismunandi samhengi

Ionization getur gerst í mismunandi samhengi, eins og í náttúru, í tækni og í labors próf. Hér eru nokkur dæmi um ionization í mismunandi tilvikum:

• Í náttúru getur ionization gerst þegar átóm eða sameindir eru komnir í samband við hágæða geislavirkni frá kosmískum stráum, sunnan eða öðrum upprunum. Til dæmis, sólsvæði, sem samanstendur af hlaupsgjöfum sem sól gefur út, getur ionizerað átóm og sameindir í jarðar efstu Loftslagi, formandi plasmaslá sem kölluð er ionosphere. Ionosphere endurréttir og brotar rafmagnssendingar, aukið langdistansefni og leitarskipulag. Annað dæmi um náttúruleg ionization er formun norðurljósa, sem eru lítljós af mismunandi litum sem koma af samspili hlaupsgjafa frá sólsvæði við jarðar magnetfield og Loftslag. Hlaupsgjafir snest við loftsameindir og ionizera þeim, gerir þeim að gefa ljós af mismunandi litum eftir orkuþunglyndi og tegund.

• Í tækni getur ionization verið notað fyrir mörg mark, eins og í massspektrometrí, geislarannsóknir, og kjarnsmelding. Massspektrometrí er aðferð sem mælir massa-aflar hlutfall ions sem gerðir eru af ionization af sýnishorn af efni. Þessi aðferð getur verið notuð til að auðkenna og metra efnavandkvæði efna, eins og lyf, efnafjölbreyttir, órennileiki, o.fl. Geislarannsóknir eru meðferð sem notar ionization geisl til að drepa krabbamein eða minnka tumor. Geislan skemmtir DNA krabbameina og hindrar þeim að deila og spretta. Kjarnsmelding er ferli sem fer með að sameina tvö ljótt kjarni í tyngra, gefa upp stórt magn orku. Þetta ferli krefst mjög hára hita og þrýstis til að yfirbrjóta elektrostæða ósamþykkju milli jákvæða kjarna. Einn leið til að ná þessu er með að nota ionized gas eða plasma sem brændistofu fyrir smeldingarvirkjar.

• Í labors próf getur ionization verið virkjað með ýmsar aðferðir, eins og með að setja á rafmagnsvelt, hreinsa efni, eða með að setja efni á ljós. Til dæmis, rafmagnsvelt getur verið notað til að ionizera gas í discarge tube, formandi glóandi plasma sem gefur ljós af mismunandi lengdum eftir tegund gas. Hreinsa efni getur verið að fjarlægja elektróna og verða ionizerað vegna hittunar. Til dæmis, þegar sódíummetall er hreint í blómi, gefur það gul ljós vegna ionization sódíumatoma. Setja efni á ljós getur verið að absorba fotóna og skjóta elektróna, gerir photoionization. Til dæmis, þegar sveim gas er sett á ultraviolet ljós, absorba það fotóna og gefur elektróna, formandi sveim ions og frjálst elektróna.

Styrkur