Ионизация - бұл химия және физикадағы негізгі концепция, ол электрдік нейтралды атомдарды немесе молекулаларды электрдік зарядталғанға айналуын сипаттайтын процесс. Ионизация болады, егер атом немесе молекула бір не бірнеше электронды алса немесе жоғалтса, соңында теріс немесе оң заряд пайда болады. Зарядталған атом немесе молекула ион деп аталады.

Ионизация топтастыру, химиялық реакциялар арқылы немесе электромагниттік радиацияға көрсетілу арқылы өте әртүрлі тәсілдермен болуы мүмкін. Ионизация көптеген табиғи және технологиялық құбылыстарда маңызды рөл атқарады, мысалы, аура, ионосфералық байланыс, масс-спектроскопия, радиациялық терапия және ядролық синтез.

Бұл мақалада біз ионизация процессін толық түсіндіреді, содиум хлорид (NaCl) мысалын қолдану арқылы. Біз да ионизация процессіне тәсіл етенетін факторлар, мысалы, ионизация энергиясы және салауатты пермиттивтік медианы талқылаймыз. Соңында, біз әртүрлі контекстерде ионизацияның қандай бірнеше мысалдарын береміз.

Ионизация процессі деген не?

Ионизация процессі атомдар мен молекулалар арасында электрондардың ауысуына қатысады. Бұл процессін түсіндіру үшін, біз күнделікті өміріміздегі пайдаланатын содиум хлорид (NaCl) мысалын қарастырайық.

Содиум хлорид содиум (Na) атомдары мен хлор (Cl) атомдарынан тұрады, олар электростатикалық күш арқылы бір-бірімен байланысты. Na және Cl атомдарының атомдық номерлері сәтті 11 және 17, бұл олардың ядросының айналуында 11 және 17 электрон бар екендігін білдіреді.

Электрондардың орналасуы төмендегі суретте көрсетілген. Электрондар өздерінің энергия деңгейлеріне қарай ядроның айналуында әртүрлі шелектерде же орбиталарда таралған. Ең сыртқы шелек валенттік шелек деп аталады, ол атомдың химиялық қасиеттерін анықтайды.

Суреттен көріп, Na атомының валенттік шелектерінде бір ғана электрон бар, ал Cl атомының валенттік шелектерінде жеті электрон бар. Стабильді конфигурацияға жету үшін атомдар өзінің валенттік шелектерінде сегіз электрон болуына уәде береді, бұл октет ережесіне сәйкес.

Сонымен, Na және Cl атомдарының екеуі де стабилді емес немесе химиялық активті. Олар бір-біріне жақын болғанда, олар электрондарды ауыстыру арқылы химиялық реакцияға өтуі мүмкін.

Na атомының валенттік электронын жоғалтып, ол оң зарядталған ион (Na+) болады, ал Cl атомы электронды қабылдап, теріс зарядталған ион (Cl-) болады. Бұл процесс ионизация деп аталады.

Na+ және Cl- иондары электростатикалық күш арқылы бір-біріне тартылады, NaCl молекуласын құрайды. Бұл күш олардың зарядтарының көбейтіндісіне пропорционалды, ал олардың аралығының квадратына кері пропорционалды, Кулон заңына сәйкес.

Кулон заңы теңдеуі:

Мұнда F - күш, Q1 және Q2 - зарядтар, r - аралық, εr - медианың салауатты пермиттивтігі.

Салауатты пермиттивтік (немесе диэлектрикалық тұрақты деп да аталады) - бұл материалдың ішіндегі электр өрісін вакуумдағыға қарағанда қанша азайтатынын өлшенетін параметр. Вакуумдың салауатты пермиттивтігі өзінің анықтамасына сәйкес 1-ге тең.

Салауатты пермиттивтік иондар арасындағы электростатикалық күштің күшін ескере отырып, мысалы, ауаның салауатты пермиттивтігі 1.0006, ал су 20°C температурасында 80.

Бұл NaCl суда құюда, Na+ және Cl- иондары арасындағы электростатикалық күш ауадағыға қарағанда 80 есе аз болады. Нәтижесінде, Na+ және Cl- иондары бір-бірінен бөлініп, шығында қозғалуға қол жетімді болады.

Ионизация энергиясы және оның факторлары

Ионизация процессіне тәсіл етенетін факторлардың бірі - ионизация энергиясы. Ионизация энергиясы - бұл изолирован, газ түрінде болған атом немесе молекуланың бір электронды алып тастау үшін қажет болатын энергия. Ионизация энергиясы көбінесе кДж/моль еңбегінде өлшенеді, немесе мольдағы барлық атомдар әрқайсысы бір электронды жоғалтқанда қажет болатын энергия.

Ионизация энергиясы атомдық номер, атомдық радиус, электрондық конфигурация және ішкі электрондардың экрандау эффектісі сыныптарына байланысты. Бұл факторлар ядроның валенттік электрондарын қалыптастыру қаншалықты қатысты және оларды қалай алып тастауға болады.

Ионизация энергиясы периодикалық кестеде солдан оңға қарай және төменден жоғарыға қарай жалпы тенденциямен өседі. Бұл себептері:

• Атомдық номер периодикалық кестеде солдан оңға қарай өседі, бұл ядроның заряды өседі, сондықтан валенттік электрондар ядрога қатысты өзара тартылады.

• Атомдық радиус периодикалық кестеде солдан оңға қарай азаяды, бұл валенттік электрондар ядрога жақын болып, оларды алып тастау қиындарады.

• Электрондық конфигурация периодикалық кестеде солдан оңға қарай өзгереді, бұл белгілі бір элементтердің қалыптасқан немесе жарты толық орбиталары болып, оларды бұзып, көбірек энергия қажет болады.

• Ішкі электрондардың экрандау эффектісі периодикалық кестеде төменден жоғарыға қарай өседі, бұл валенттік электрондар ядроның зарядына қатысты өзара тартылып, оларды алып тастау оңай болады.

Бұл жалпы тенденцияға бірнеше ерекшеліктер бар, мысалы, алкалин металлдар (2-ші тобы) және азот тобы элементтері (15-ші тобы). Бұл элементтердің ионизация энергиясы олардың жанарты элементтерінен жоғары болады, себебі олардың қалыптасқан немесе жарты толық орбиталары бар, олар қалыптасқан және ионизацияға қарсы қояды.

Ионизация энергиясы элементтердің химиялық қасиеттерін түсіну үшін маңызды, олардың басқа элементтермен коовалентті немесе иондық байланыстар құрастыру үшін. Жоғары ионизация энергиясы болған элементтер электрондарды қабылдай және теріс иондар (аниондар) құрастырады, ал төмен ионизация энергиясы болған элементтер электрондарды жоғалтады және оң иондар (катиондар) құрастырады. Оқиғалардың ионизация энергиясы ұқсас болғанда, олар электрондарды бөліседі және коовалентті байланыстар құрастырады.

Мысалы, содиум (Na) 496 кДж/моль төмен ионизация энергиясы, ал хлор (Cl) 1251.1 кДж/моль жоғары ионизация энергиясы. Олар реакцияға қатысқанда, содиум электронды жоғалтады және Na+ болады, ал хлор электронды қабылдайды және Cl- болады. Олар өзара зарядтарының қарама-қарсы таңбалы болуы арқылы иондық байланыс құрастырады.

Басқа жағдайда, карбон (C) және кислород (O) 1086.5 кДж/моль және 1313.9 кДж/моль ұқсас ионизация энергиясы. Олар реакцияға қатысқанда, олар электрондарды бөліседі және орбиталарын қиылыстырып, коовалентті байланыстар құрастырады. Олар CO2 (карбон диоксид) немесе CO (карбон монооксид) молекулаларын құрастырады.

Екі реакция элементі арасындағы ионизация энергияларының айырмашылығы арқылы олар құрастыратын байланысты болжауға болады. Жоғары айырмашылық (>1.7) иондық байланысты, төмен айырмашылық (<0.4) полярлық эмес коовалентті байланысты, орташа айырмашылық (0.4-1.7) полярлық коовалентті байланысты болжауға болады.

• Природе ионизация может происходить, когда атомы или молекулы подвергаются воздействию высокоэнергетического излучения от космических лучей, Солнца или других источников. Например, солнечный ветер, состоящий из заряженных частиц, испускаемых Солнцем, может ионизировать атомы и молекулы в верхней атмосфере Земли, создавая слой плазмы, называемый ионосферой. Ионосфера отражает и преломляет радиоволны, что позволяет осуществлять дальнюю связь и навигацию. Другим примером естественной ионизации является образование полярных сияний, которые представляют собой цветные световые явления, вызванные взаимодействием заряженных частиц солнечного ветра с магнитным полем и атмосферой Земли. Заряженные частицы сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируют их, вызывая излучение света разных цветов в зависимости от их энергетических уровней и типов.

• В технологии ионизация может использоваться для различных целей, таких как масс-спектрометрия, лучевая терапия и ядерный синтез. Масс-спектрометрия - это метод, который измеряет отношение массы к заряду ионов, образующихся при ионизации образца вещества. Этот метод можно использовать для идентификации и количественного определения химического состава веществ, таких как лекарства, белки, загрязнители и т.д. Лучевая терапия - это лечение, которое использует ионизирующее излучение для уничтожения раковых клеток или уменьшения опухолей. Излучение повреждает ДНК раковых клеток, препятствуя их делению и распространению. Ядерный синтез - это процесс, при котором два легких ядра объединяются в более тяжелое, выделяя большое количество энергии. Этот процесс требует очень высоких температур и