Ионизацијата е основен концепт во хемијата и физиката кој опишува трансформацијата на електрично неутрални атоми или молекули во електрично напојени. Ионизацијата се случува кога атом или молекула добива или губи еден или повеќе електрони, што резултира со позитивна или негативна напона. Напојениот атом или молекула се нарекува ион.

Ионизацијата може да се случи на различни начини, како преку сукоби, хемиски реакции, или изложување на електромагнетна радијација. Ионизацијата игра важна улога во многу природни и технологички појави, како аурори, ионосферска комуникација, масна спектрометрија, радијација терапија и јадно слевување.

Во овој чланок, ќе објасниме процесот на ионизација детално, користејќи ја солта на содиум хлорид (NaCl) како пример. исто така ќе дискутираме факторите кои влијаат на процесот на ионизација, како што е енергијата на ионизација и релативната пермитивност на средината. На крај, ќе дадеме неколку примери на ионизација во различни контексти.

Што е процесот на ионизација?

Процесот на ионизација вклучува пренос на електрони помеѓу атоми или молекули. За да илустрираме овој процес, да разгледаме случајот на содиум хлорид (NaCl), кој е заедничка сола што ја користиме во нашиот секојдневен живот.

Содиум хлорид се состои од атоми на содиум (Na) и хлор (Cl) кои се задржани заедно со електростатска сила. Атомскиот број на Na и Cl се 11 и 17, соодветно, што значи дека имаат 11 и 17 електрони што кружеат околу нивните јадра.

Распределбата на овие електрони е прикажана на следната слика. Електроните се распределени во различни облака или орбити околу јадрото, според нивните енергетски нивоа. Наружната обвивка се нарекува валентна обвивка, и тоа одредува хемиските својства на атомот.

Како што може да видите од сликата, Na атомот има само еден електрон во неговата валентна обвивка, додека Cl атомот има седум електрони во неговата валентна обвивка. Да се достигне стабилна конфигурација, атомите тендецијално имаат осум електрони во нивната валентна обвивка, според правилото за октет.

Затоа, Na и Cl атомите се нестабилни или хемиски активни. Кога доаѓаат близу до друг, тие подлежат на хемиска реакција која вклучува размена на електрони.

Na атомот губи неговиот валентен електрон и станува позитивно напојен ион (Na+), додека Cl атомот добива електрон и станува негативно напојен ион (Cl-). Овој процес се нарекува ионизација.

Na+ и Cl- ионите се привлечени еден кон друг со електростатска сила, формирајќи NaCl молекула. Оваа сила е пропорционална на производот на нивните напони и обратно пропорционална на квадратот од нивното растојание, според законот на Куло.

Јауравната за законот на Куло е:

Каде F е силата, Q1 и Q2 се напоните, r е растојанието, а εr е релативната пермитивност на средината.

Релативната пермитивност (такође наречена диелектрична константа) е мера на колку материјал намалува електричното поле во него споредено со вакуум. Релативната пермитивност на вакуум е 1 по дефиниција.

Релативната пермитивност влијае на јачината на електростатската сила помеѓу ионите. На пример, релативната пермитивност на воздухот е околу 1.0006, додека релативната пермитивност на вода на 20°C е околу 80.

Ова значи дека кога NaCl се растворува во вода, електростатската сила помеѓу Na+ и Cl- ионите станува 80 пати слаба од воздухот. Како резултат, Na+ и Cl- ионите се одделуваат еден од друг и стануваат слободни да се движеат во растворот.

Енергија на ионизација и нејзини фактори

Еден од факторите кои влијаат на процесот на ионизација е енергијата на ионизација. Енергијата на ионизација е количината на енергија потребна за отстранување на електрон од изолиран, гасен атом или молекула во неговата основна состојба. Енергијата на ионизација обично се изразува во kJ/mol, или количината на енергија потребна за сите атоми во мол да губат по еден електрон.

Енергијата на ионизација зависи од неколку фактори, како што се атомскиот број, атомскиот радиус, електронската конфигурација, и екранскиот ефект на внатрешните електрони. Овие фактори влијаат на колку силно јадрото држи валентните електрони и колку лесно можат да се отстранат.

Енергијата на ионизација обично се зголемува од лево кон десно во период, и намалува од горе надолу во група во периодниот систем. Ова е затоа што:

• Атомскиот број се зголемува од лево кон десно во период, што значи дека јадрената напона се зголемува, и валентните електрони се повеќе привлечени кон јадрото.

• Атомскиот радиус се намалува од лево кон десно во период, што значи дека валентните електрони се поблиски до јадрото и потешко да се отстранат.

• Електронската конфигурација се менува од лево кон десно во период, што значи дека некои елементи имаат повеќе стабилни или половина пополнети орбитали кои бараат повеќе енергија за нарушување.

• Екранскиот ефект на внатрешните електрони се зголемува од горе надолу во група, што значи дека валентните електрони се помалку под влијание на јадрената напона и лесно да се отстранат.

Постојат некои изузетоци на овој општ тренд, како алкалните земни метали (група 2) и азотната група елементи (група 15). Овие елементи имаат повисока енергија на ионизација од нивните соседни елементи затоа што имаат или целосно пополнети или половина пополнети орбитали, кои се повеќе стабилни и отпорни на ионизација.

Енергијата на ионизација е важна за разбирање на хемиското однесување на елементите и нивната склонност да формираат ковалентни или ионски врски со други елементи. Елементите со ниска енергија на ионизација тендецијално губат електрони и формираат позитивни иони (катиони), додека елементите со висока енергија на ионизација тендецијално добиваат електрони и формираат негативни иони (аниони). Елементите со слична енергија на ионизација тендецијално делат електрони и формираат ковалентни врски.

На пример, содиум (Na) има ниска енергија на ионизација од 496 kJ/mol, додека хлор (Cl) има висока енергија на ионизација од 1251.1 kJ/mol. Кога реагираат, содиум губи електрон и станува Na+, додека хлор добива електрон и станува Cl-. Тие формираат ионска врска со електростатска привлека меѓу нивните противоположни напони.

Оттука, вглерод (C) и кислород (O) имаат слична енергија на ионизација од 1086.5 kJ/mol и 1313.9 kJ/mol, соодветно. Кога реагираат, тие делат електрони и формираат ковалентни врски со преклопување на нивните орбитали. Тие формираат молекули како CO2 (вглероден диоксид) или CO (вглероден монооксид).

Разликата во енергијата на ионизација помеѓу два реагирачки елемента може да се користи за предвидување на типот на врска што ја формираат. Голема разлика (>1.7) указува на ионска врска, мала разлика (<0.4) указува на неполарна ковалентна врска, а средна разлика (0.4-1.7) указува на поларна ковалентна врска.

Примери на ионизација во различни контексти

Ионизацијата може да се случи во различни контексти, како што се во природата, во технологијата, и во лабораториски експерименти. Еве неколку примери на ионизација во различни ситуации:

• Во природата, ионизацијата може да се случи кога атоми или молекули се изложени на високо-енергетска радијација од космички зраци, Сонце, или други извори. На пример, сончевиот ветар, кој се состои од напојени честички испуштени од Сонцето, може да ионизира атомите и молекулите во горниот атмосферски слој, создавајќи слој на плазма наречен ионосфера. Ионосферата рефлектира и префрлува радио валови, овозможувајќи далечна комуникација и навигација. Друг пример на природна ионизација е формирањето на аурори, кои се бојести прикази на светлина причинети од интеракцијата на напојени честички од сончевиот ветар со Земјината магнетно поле и атмосфера. Напојените честички се судират со воздухни молекули и ги ионизираат, причинувајќи ги да излупат светлина на различни бои според нивните енергетски нивоа и типови.

• Во технологијата, ионизацијата може да се користи за различни цели, како што се масна спектрометрија, радијација терапија, и јадно слевување. Масната спектрометрија е техника која мерува масата-на-напона од иони произведени од ионизација на проба на материја. Оваа техника може да се користи за идентификација и квантификација на хемиската композиција на вещества, како лекови, протеини, загадувачи, итн. Радијацијата терапија е третман кој користи ионизационска радијација за убијање на ракови клетки или намалување на тумори. Радијацијата повреќ