Joniķšana ir pamatjēdziens ķīmijā un fizikā, kas apraksta elektriski neitrālu atomu vai molekulu pārveidošanu par elektriski uzlādētiem. Joniķšana notiek, kad atoms vai molekula iegūst vai zaudē vienu vai vairākas elektronas, rezultātā radot pozitīvu vai negatīvu lādiņu. Uzlādētais atoms vai molekula sauc par jonu.

Joniķšana var notikt dažādos veidos, piemēram, caur sadursmēm, ķīmiskām reakcijām vai izslēguma elektromagnētiskajai radiācijai. Joniķšana spēlē svarīgu lomu daudzās dabas un tehnoloģiskās parādībās, piemēram, aurorās, jonosfēras komunikācijā, masu spektrometrī, radiācijas terapijā un kodolapvienošanā.

Šajā rakstā mēs detalizēti izskaidrosim joniķšanas procesu, izmantojot kā piemēru sāls (NaCl). Mēs arī apspriedīsim faktorus, kas ietekmē joniķšanas procesu, piemēram, joniķšanas enerģiju un relatīvo dielektropermiabilitāti vidē. Visbeidzot, mēs sniegsim dažus joniķšanas piemērus dažādos kontekstos.

Kas ir joniķšanas process?

Joniķšanas process ietver elektronu pārnešanu starp atomiem vai molekulām. Lai ilustrētu šo procesu, aplūkosim sāļa (NaCl) gadījumu, ko mēs ikdienā izmantojam savā dzīvē.

Sāls sastāv no natrija (Na) un hlorija (Cl) atomiem, kas tiek turēti kopā elektrostātiskā spēka dēļ. Natrija un hlorija atomu skaita numuri ir atbilstoši 11 un 17, tātad tiem ir 11 un 17 elektronu, kas apgroza tos kodolus.

Šo elektronu izkārtojumu redzam attēlā zemāk. Elektronu izkārtojums ir dažādos slāņos vai orbitās apkārt kodolam, atkarībā no to enerģijas līmeņiem. Ārējais slānis sauc par valentnēm, un tas nosaka atoma ķīmiskās īpašības.

Kā redzams no attēla, Na atomam ir tikai viens elektrons tā valentslānī, bet Cl atomam ir septiņi elektroni tā valentslānī. Lai sasniegtu stabila konfigurāciju, atomi tendējuši iegūt astoņus elektronus savā valentslānī, sekot octet likumam.

Tādējādi, gan Na, gan Cl atomi ir nestabili vai ķīmiski aktīvi. Kad tie nonāk tuvāk viens otram, tie piedalās ķīmiskā reakcijā, kas ietver elektronu apmaiņu.

Na atoms zaudē savu valentelektronu un kļūst par pozitīvi uzlādētu ionu (Na+), bet Cl atoms iegūst elektronu un kļūst par negatīvi uzlādētu ionu (Cl-). Šis process sauc par joniķšanu.

Na+ un Cl- joni tiek piesaistīti viens otram elektrostātiskā spēka dēļ, veidojot NaCl molekulu. Šis spēks ir proporcionāls to lādiņu reizinājumam un inversproporcionāls to attāluma kvadrātam, saskaņā ar Coulomb likumu.

Coulomb likuma vienādojums ir:

kur F ir spēks, Q1 un Q2 ir lādiņi, r ir attālums, un εr ir vidē relatīvā dielektropermiabilitāte.

Relatīvā dielektropermiabilitāte (arī saukta par dielektrikā konstanti) ir mērs, cik lielā mērā materiāls samazina elektriskā lauka stiprumu tajā salīdzinājumā ar vakuumu. Vakuuma relatīvā dielektropermiabilitāte ir definēta kā 1.

Relatīvā dielektropermiabilitāte ietekmē elektrostātisko spēku stiprumu starp joniem. Piemēram, gaisa relatīvā dielektropermiabilitāte ir aptuveni 1.0006, bet ūdens relatīvā dielektropermiabilitāte 20°C temperatūrā ir aptuveni 80.

Tātad, kad NaCl izplūst ūdenī, elektrostātiskais spēks starp Na+ un Cl- joniem kļūst 80 reizes vājāks nekā gaisā. Tādējādi, Na+ un Cl- joni atdalās viens no otra un kļūst brīvi pārvietojami šķīdumā.

Joniķšanas enerģija un tās faktori

Viens no faktoriem, kas ietekmē joniķšanas procesu, ir joniķšanas enerģija. Joniķšanas enerģija ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai noņemtu elektronu no atsevišķa, gazu formā esoša atoma vai molekūlas tā bāzes stāvoklī. Joniķšanas enerģiju parasti izsaka kJ/mol, vai enerģijas daudzumu, kas nepieciešams, lai visi atomi molē losētu vienu elektronu katrs.

Joniķšanas enerģija atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram, atomu skaita numura, atomradiusa, elektronu konfigurācijas un iekšējo elektronu aizsargājošā efekta. Šie faktori ietekmē, cik stipri kodols turēt valentelektronus un cik viegli tie var tikt noņemti.

Joniķšanas enerģija vispārīgi palielinās no kreisās uz labo periodā un samazinās no augšas uz leju grupā periodiskajā tabulā. Tas ir tādēļ, ka:

• Atomu skaita numurs palielinās no kreisās uz labo periodā, kas nozīmē, ka kodola lādiņa palielinās, un valentelektronu pievilcināšanās kodolam palielinās.

• Atomradius samazinās no kreisās uz labo periodā, kas nozīmē, ka valentelektronu atstarpe no kodola samazinās, un to noņemšana kļūst grūtāka.

• Elektronu konfigurācija mainās no kreisās uz labo periodā, kas nozīmē, ka daži elementi ir stabilāki vai pusapildīti orbitali, kas prasa vairāk enerģijas, lai tos noņemtu.

• Iekšējo elektronu aizsargājošais efekts palielinās no augšas uz leju grupā, kas nozīmē, ka valentelektronu ietekme no kodola lādiņa samazinās, un to noņemšana kļūst vieglāka.

Ir daži izņēmumi šim vispārīgajam tendencēm, piemēram, alkaļzemes metāli (grupa 2) un stikstena grupas elementi (grupa 15). Šie elementi ir augstākas joniķšanas enerģijas nekā to blakus elementi, jo tiem ir pilnībā apmierināti vai pusapildīti orbitali, kas ir stabilāki un pretīgi joniķšanai.

Joniķšanas enerģija ir svarīga, lai saprastu elementu ķīmisko uzvedību un to tendenci veidot kovalentus vai joniskus saitus ar citiem elementiem. Elementi ar zemām joniķšanas enerģijām tendējuši zaudēt elektronus un veidot pozitīvus jonus (katīonus), bet elementi ar augstām joniķšanas enerģijām tendējuši iegūt elektronus un veidot negatīvus jonus (anionus). Elementi ar līdzīgām joniķšanas enerģijām tendējuši dalīties ar elektroniem un veidot kovalentus saitus.

Piemēram, natrijs (Na) ir zema joniķšanas enerģija 496 kJ/mol, bet hlorijs (Cl) ir augsta joniķšanas enerģija 1251.1 kJ/mol. Kad tie reaģē, natrijs zaudē elektronu un kļūst par Na+, bet hlorijs iegūst elektronu un kļūst par Cl-. Tie veido jonisku saiti elektrostātiskā piesaistes dēļ to pretējiem lādiņiem.

Otrādi, ugleklis © un skābeklis (O) ir līdzīgas joniķšanas enerģijas 1086.5 kJ/mol un 1313.9 kJ/mol attiecīgi. Kad tie reaģē, tie dalās ar elektroniem un veido kovalentus saitus, savākot savus orbitalus. Tie veido molekulas, piemēram, CO2 (ugleklis dioksīds) vai CO (ugleklis monoksīds).

Divu reaģējošo elementu joniķšanas enerģijas starpība var tikt izmantota, lai prognozētu veidu, kādu saitu tie veido. Lielā starpība (>1.7) norāda uz jonisku saiti, maza starpība (<0.4) norāda uz nepolāru kovalentu saiti, un vidēja starpība (0.4-1.7) norāda uz polāru kovalentu saiti.

Joniķšanas piemēri dažādos kontekstos

Joniķšana var notikt dažādos kontekstos, piemēram, dabā, tehnoloģijās un laboratorijas eksperimentos. Šeit ir daži joniķšanas piemēri dažādos situācijos:

• Dabā joniķšana var notikt, kad atomi vai molekulas tiek izslēgti ar augstenerģētisku radiāciju no kosmiskajiem staru, Saules vai citiem avotiem. Piemēram, Saules vēji, kas sastāv no uzlādētajiem daļiņām, ko izmet Saule, var jonificēt atomus un molekulas Zemes augšējā atmosfērā, radot plazmas slāni, kas sauc par jonosfēru. Jonosfēra atspoguļo un refraktē radio viļņus, ļaujot ilgstošu sakaru un navigāciju. Cits dabas joniķšanas piemērs ir auroras veidošanās, kas ir krāsainas gaismas izrādes, kas rodas no uzlādēto daļiņu no Saules vēja interakcijas ar Zemes magnētiskā lauka un atmosfēru. Uzlādētās daļiņas saduras ar gaisa molekulas un jonificē tās, izraisot gaismas emisiju dažādās krāsās atkarībā no to enerģijas līmeņiem un tipiem.

• Tehnoloģijās joniķšanu var izmantot dažādiem mērķiem, piemēram, masu spektrometrī, radiācijas terapijā un kodolapvienošanā. Masu spektrometrija ir tehnika, kas mēra jonu masa-lādiņa attiecību, kas tiek izveidoti, jonificējot mātes vielas paraugu. Šo tehniku var izmantot, lai identificētu un kvantificētu vielu ķīmisko sastāvu, piemēram, zāles, proteīni, piesārņotāji utt. Radiācijas terapija ir ārstēšanas metode, kas izmanto jonificējošu radiāciju, lai nogalinātu vēža šūnas vai samazinātu tumurus. Radiācija bojā daba vēža šūnu DNS un liek tām nevarēt dalīties un izplatīties. Kodolapvienošanā ir process, kas ietver divu vieglāko kodolu apvienošanos, izdalot lielu enerģijas daudzumu. Šis process prasa ļoti augstas temperatūras un spiediena, lai pārvarētu pozitīvi uzlādēto kodolu elektrostātisko atspīdumu. Viens veids, kā to sasniegt, ir izmantot jonificētu gāzi vai plazmu kā deg