Ionizacija je temeljni koncept v kemiji in fiziki, ki opisuje preoblikovanje električno nevtralnih atomov ali molekul v električno nabojevane. Ionizacija nastane, ko atom ali molekula pridobi ali izgubi enega ali več elektronov, kar povzroči pozitivni ali negativni naboj. Nabojen atom ali molekula se imenuje ion.

Ionizacija se lahko zgodi na različne načine, kot so trčenja, kemijske reakcije ali izpostavljenost elektromagnetski radiaciji. Ionizacija igra pomembno vlogo v mnogih naravnih in tehnoloških pojavih, kot so aurore, komunikacija preko jonosfere, masna spektroskopija, radioterapija in jedrska fuzija.

V tem članku bomo podrobno razložili proces ionizacije, uporabljali sodobik (NaCl) kot primer. Tudi bomo obravnavali dejavnike, ki vplivajo na proces ionizacije, kot sta energija ionizacije in relativna dielektrična konstanta sredstva. Nazadnje bomo podali nekaj primerov ionizacije v različnih kontekstih.

Kaj je proces ionizacije?

Proces ionizacije vključuje prenos elektronov med atomi ali molekulami. Da bi ilustrirali ta proces, upoštevajmo primer sodobika (NaCl), ki je običajna sol, ki jo uporabljamo v našem vsakdanjem življenju.

Sodobik sestavlja atome sodca (Na) in hlora (Cl), ki jih drži skupaj elektrostatska sila. Atomski številki Na in Cl sta 11 in 17, kar pomeni, da imata 11 in 17 elektronov, ki krožijo okoli njunih jedr.

Razporeditev teh elektronov je prikazana na spodnji sliki. Elektroni so porazdeljeni v različnih lupinah ali orbitah okoli jedra, glede na svoje energetske ravni. Najbolj zunanja lupina se imenuje valenčna lupina in določa kemijske lastnosti atoma.

Kot vidite na sliki, ima atom Na le en elektron v svoji valenčni lupini, medtem ko ima atom Cl sedem elektronov v svoji valenčni lupini. Za dosego stabilne konfiguracije, atomi skušajo imeti osem elektronov v svoji valenčni lupini, sledijo pravilu oktet.

Zato sta oba atoma Na in Cl nestabilna ali kemijsko aktivna. Ko se približata drug drugemu, dobi kemijska reakcija, ki vključuje menjavo elektronov.

Atom Na izgubi svoj valenčni elektron in postane pozitivno nabojen ion (Na+), medtem ko atom Cl pridobi elektron in postane negativno nabojen ion (Cl-). Ta proces se imenuje ionizacija.

Ioni Na+ in Cl- se privlačita z elektrostatsko silo, tvorijo molekulo NaCl. Ta sila je sorazmerna produktu njunih nabojev in obratno sorazmerna kvadratu njune razdalje, glede na Coulombovo zakon.

Enačba za Coulombov zakon je:

Kjer je F sila, Q1 in Q2 naboji, r razdalja, εr pa relativna dielektrična konstanta sredstva.

Relativna dielektrična konstanta (tudi imenovana dielektrična konstanta) je merilo, kako veliko material zmanjša električno polje znotraj sebe v primerjavi s vakuumom. Relativna dielektrična konstanta vakuuma je po definiciji 1.

Relativna dielektrična konstanta vpliva na moč elektrostatske sile med ioni. Na primer, relativna dielektrična konstanta zraka je približno 1,0006, medtem ko je relativna dielektrična konstanta vode pri 20°C približno 80.

To pomeni, da, ko se sodobik raztopi v vodi, elektrostatska sila med ioni Na+ in Cl- postane 80-krat manjša kot v zraku. Kot rezultat, se ioni Na+ in Cl- ločita in postaneta prosta, da se gibljejo v raztopini.

Energija ionizacije in njeni dejavniki

Eden od dejavnikov, ki vplivajo na proces ionizacije, je energija ionizacije. Energiija ionizacije je količina energije, potrebna za odstranitev elektrona iz izoliranega, plinskoga atoma ali molekule v njegovi osnovni stanji. Energiija ionizacije je običajno izražena v kJ/mol, ali količina energije, ki jo potrebujejo vse atome v molu, da izgubijo po en elektron.

Energiija ionizacije odvisna je od več dejavnikov, kot so atomsko število, atomski polmer, elektronska konfiguracija in ščitni učinek notranjih elektronov. Ti dejavniki vplivajo na to, kako močno jedro drži valenčne elektrone in kako lahkoste jih lahko odstranimo.

Energiija ionizacije običajno narašča od leve proti desni v periodu in pada od vrha navzdol skozi skupino v periodičnem sistemu. To je zato, ker:

• Atomsko število narašča od leve proti desni v periodu, kar pomeni, da narašča nuklearni naboj, in valenčni elektroni so bolj privlačeni k jedru.

• Atomska polmera pada od leve proti desni v periodu, kar pomeni, da so valenčni elektroni bližje jedru in težje odstraniti.

• Elektronska konfiguracija se spreminja od leve proti desni v periodu, kar pomeni, da nekatere elemente imajo bolj stabilne ali polpolne orbite, ki zahtevajo več energije za motnjo.

• Ščitni učinek notranjih elektronov narašča od vrha navzdol skozi skupino, kar pomeni, da valenčni elektroni manj vplivajo na nuklearni naboj in so laže odstraniti.

Obstajajo nekatere izjeme tega splošnega trenda, kot so alkalne zemlje (skupina 2) in dušikove skupine (skupina 15). Ti elementi imajo višje energije ionizacije kot njihovi sosednji elementi, ker imajo bu točno polne ali polpolne orbite, ki so bolj stabilne in odporni na ionizacijo.

Energiija ionizacije je pomembna za razumevanje kemijskega vedenja elementov in njihove tendence, da oblikujejo kovalentne ali ionske veze z drugimi elementi. Elementi z nizkimi energijami ionizacije se običajno izgube elektrone in oblikujejo pozitivne ionice (kationi), medtem ko elementi z visokimi energijami ionizacije običajno pridobijo elektrone in oblikujejo negativne ionice (anioni). Elementi z podobnimi energijami ionizacije običajno delijo elektrone in oblikujejo kovalentne veze.

Na primer, sodec (Na) ima nizko energijo ionizacije 496 kJ/mol, medtem ko ima hlor (Cl) visoko energijo ionizacije 1251,1 kJ/mol. Ko reagirata, sodec izgubi elektron in postane Na+, medtem ko hlor pridobi elektron in postane Cl-. Oblikujeta ionsko vezbo z elektrostatskim privlačenjem med njunima nasprotnima naboji.

Na drugi strani, ogljik (C) in kisik (O) imata podobne energije ionizacije 1086,5 kJ/mol in 1313,9 kJ/mol, ustrezno. Ko reagirata, delita elektrone in oblikujeta kovalentne veze z prekrivanjem svojih orbit. Oblikujeta molekule, kot so CO2 (ogljični dioksid) ali CO (karbon monoksid).

Razlika v energijah ionizacije med dvema reagirajočima elementoma se lahko uporabi za napoved tipa veze, ki jo oblikujeta. Velika razlika (>1,7) kaže na ionsko vez, majhna razlika (<0,4) kaže na nepolarne kovalentne veze, medtem ko srednja razlika (0,4-1,7) kaže na polarne kovalentne veze.

Primeri ionizacije v različnih kontekstih

Ionizacija se lahko zgodi v različnih kontekstih, kot so v naravi, v tehnologiji in v laboratorijskih poskusi. Tukaj so nekateri primeri ionizacije v različnih situacijah:

• V naravi se ionizacija lahko zgodi, ko so atomi ali molekule izpostavljeni visokoenergetskemu sevanju iz kosmičnih ladij, Sonca ali drugih virov. Na primer, sončni veter, ki sestavlja nabojeve delce, ki jih Sonce izpušča, lahko ionizira atome in molekule v Zemljini zgornji atmosferi, ustvarja plasti plazme, imenovane ionosfera. Ionosfera odseva in preoblikuje radijska valovanja, omogoča dolgoročno komunikacijo in navigacijo. Drug primer naravne ionizacije je oblika avror, ki so barvna svetila, ki jih povzroča interakcija nabojevih delcev iz sončnega vetra s Zemljino magnetno polje in atmosfero. Nabojevi delci trče z zračnimi molekulami in jih ionizirajo, kar povzroča, da emitirajo svetlobo različnih barv, odvisno od njihovih energetskih ravni in vrst.

• V tehnologiji se ionizacija lahko uporablja za različne namene, kot so masna spektroskopija, radioterapija in jedrska fuzija. Masna spektroskopija je tehnika, ki meri razmerje mase in naboja ionov, ki jih ustvari ionizacija vzorca snovi. Ta tehnika se lahko uporablja za identifikacijo in kvantificiranje kemijske sestave snovi, kot so zdravila, proteini, onesnaževalci itd. Radioterapija je zdravljenje, ki uporablja ionizirajoče sevanje, da ubije rakove celice ali zmanjša tumorje. Sevanje poškoduje DNA rakovih celic in prepreči, da se delijo in širijo. Jedrska fuzija je proces, ki vključuje združevanje dveh lahkih jedr v težje, s čimer izpusti veliko energije. Ta proces zahteva zelo visoke temperature in tlake, da premosti elektrostatsko odpor med pozitivno nabojenimi jedri. Eden načinov, kako to doseči, je uporaba ioniziranih plinov ali plazme kot gorivo za fuzijske reaktorje.

• V laboratorijskih poskusi se ionizacija lahko inducirja z različnimi metodami, kot so z uporabo električnega polja, segrevanjem snovi ali z izpostavljanjem snovi svetlu. Na primer, električno polje se lahko uporabi za ionizacijo plina v izpustni cevi, ustvarja svetleče plazmo, ki emitira svetlobo različnih valovnih dolžin, odvisno od vrste plina. Segrevanje snovi lahko povzroči, da izgubi elektrone in postane ionizirana zaradi termalne agitacije. Na primer, ko se metalni sodec segreva v plamen, emitira rumeno svetlobo zaradi ionizacije atomskega sodca. Izpostavljanje snovi svetlu lahko povzroči, da absorbuje fotone in izvrže elektrone, kar vodi do fotoionizacije. Na primer, ko je vodikov plin izpostavljen ultravijoličnemu svetlu, absorbira fotone in izpusti elektrone, ustvarja vodikove ionice in proste elektrone.

Zaključek