การไอออนิซ์เป็นแนวคิดพื้นฐานในเคมีและฟิสิกส์ที่อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของอะตอมหรือโมเลกุลที่มีความชาร์จไฟฟ้าเป็นกลางอะตอมหรือโมเลกุลให้มีความชาร์จไฟฟ้า การไอออนิซ์เกิดขึ้นเมื่ออะตอมหรือโมเลกุลได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งอิเล็กตรอน ทำให้มีความชาร์จบวกหรือลบ อะตอมหรือโมเลกุลที่มีความชาร์จเรียกว่าไอออน

การไอออนิซ์สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี เช่น จากการชน การปฏิกิริยาเคมี หรือจากการสัมผัสกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การไอออนิซ์มีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์ธรรมชาติและเทคโนโลยีหลายอย่าง เช่น แสงเหนือ การสื่อสารผ่านไอโอโนสเฟียร์ การวิเคราะห์มวลสาร การรักษาด้วยรังสี และการหลอมรวมนิวเคลียส

ในบทความนี้ เราจะอธิบายกระบวนการไอออนิซ์โดยละเอียด โดยใช้นาทรีคลอไรด์ (NaCl) เป็นตัวอย่าง เราจะยังกล่าวถึงปัจจัยที่มีผลต่อกระบวนการไอออนิซ์ เช่น พลังงานไอออนิซ์และความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของสื่อ สุดท้ายเราจะให้ตัวอย่างของการไอออนิซ์ในบริบทต่างๆ

กระบวนการไอออนิซ์คืออะไร?

กระบวนการไอออนิซ์ประกอบด้วยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมหรือโมเลกุล เพื่ออธิบายกระบวนการนี้ ขอให้เราพิจารณากรณีของนาทรีคลอไรด์ (NaCl) ซึ่งเป็นเกลือที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน

นาทรีคลอไรด์ประกอบด้วยอะตอมของนาทรี (Na) และคลอรีน (Cl) ที่ถูกยึดไว้ด้วยแรงไฟฟ้าสถิต จำนวนโปรตอนของ Na และ Cl คือ 11 และ 17 ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส 11 และ 17 อิเล็กตรอน

การจัดเรียงของอิเล็กตรอนแสดงในภาพด้านล่าง อิเล็กตรอนกระจายอยู่ในวงโคจรหรือระดับพลังงานต่างๆ รอบนิวเคลียส วงโคจรนอกสุดเรียกว่าวงโคจรวาเลนซ์ และมันกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของอะตอม

จากภาพ อะตอมของ Na มีอิเล็กตรอนเพียงหนึ่งอิเล็กตรอนในวงโคจรวาเลนซ์ ในขณะที่อะตอมของ Cl มีอิเล็กตรอนเจ็ดอิเล็กตรอนในวงโคจรวาเลนซ์ เพื่อให้ได้การจัดเรียงที่มั่นคง อะตอมมักมีอิเล็กตรอนแปดอิเล็กตรอนในวงโคจรวาเลนซ์ ตามกฎออกเท็ต

ดังนั้น ทั้งอะตอมของ Na และ Cl ไม่มั่นคงหรือมีปฏิกิริยาเคมี เมื่อพวกมันเข้าใกล้กัน พวกมันจะเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน

อะตอมของ Na สูญเสียอิเล็กตรอนวาเลนซ์และกลายเป็นไอออนที่มีความชาร์จบวก (Na+) ในขณะที่อะตอมของ Cl ได้รับอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนที่มีความชาร์จลบ (Cl-) กระบวนการนี้เรียกว่าการไอออนิซ์.

ไอออน Na+ และ Cl- ถูกดึงดูดด้วยแรงไฟฟ้าสถิต สร้างโมเลกุลของ NaCl แรงนี้เป็นสัดส่วนกับผลคูณของความชาร์จของพวกเขาและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะทาง ตามกฎหมายของคูลอมบ์

สมการสำหรับกฎหมายของคูลอมบ์คือ:

ที่ F คือแรง Q1 และ Q2 คือความชาร์จ r คือระยะทาง และ εr คือความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของสื่อ

ความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ (หรือเรียกว่าค่าคงที่ดายเอเล็กทริก) เป็นการวัดว่าสื่อใดลดสนามไฟฟ้าภายในมันเทียบกับสุญญากาศ ความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของสุญญากาศคือ 1 ตามนิยาม

ความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์มีผลต่อความแรงของแรงไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออน ตัวอย่างเช่น ความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของอากาศคือประมาณ 1.0006 ในขณะที่ความซ้อนทางไฟฟ้าสัมพัทธ์ของน้ำที่ 20°C คือประมาณ 80

นี่หมายความว่าเมื่อ NaCl ละลายในน้ำ แรงไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออน Na+ และ Cl- จะอ่อนลง 80 เท่าเมื่อเทียบกับอากาศ ผลคือ ไอออน Na+ และ Cl- แยกออกจากกันและสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในสารละลาย

พลังงานไอออนิซ์และปัจจัยที่มีผลต่อการไอออนิซ์

ปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อกระบวนการไอออนิซ์คือพลังงานไอออนิซ์ พลังงานไอออนิซ์คือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการนำอิเล็กตรอนออกจากอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่โดดเดี่ยวในสถานะแก๊สที่มีสถานะพื้น พลังงานไอออนิซ์มักแสดงใน kJ/mol หรือปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้อะตอมทั้งหมดในโมลสูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งอิเล็กตรอนแต่ละตัว

พลังงานไอออนิซ์ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น จำนวนโปรตอน รัศมีอะตอม การจัดเรียงอิเล็กตรอน และผลป้องกันของอิเล็กตรอนภายใน ปัจจัยเหล่านี้มีผลต่อว่าเนื้อหาของนิวเคลียสจับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ได้แข็งแกร่งแค่ไหนและสามารถนำออกได้ง่ายแค่ไหน

พลังงานไอออนิซ์โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาในช่วงและลดลงจากบนลงล่างในกลุ่มในตารางธาตุ นี่เป็นเพราะ:

• จำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาในช่วง ซึ่งหมายความว่าประจุนิวเคลียสเพิ่มขึ้น และอิเล็กตรอนวาเลนซ์ถูกดึงดูดมากขึ้นโดยนิวเคลียส

• รัศมีอะตอมลดลงจากซ้ายไปขวาในช่วง ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์อยู่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้นและยากต่อการนำออก

• การจัดเรียงอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงจากซ้ายไปขวาในช่วง ซึ่งหมายความว่าบางธาตุมีวงโคจรที่มั่นคงหรือครึ่งเต็มที่ต้องการพลังงานมากขึ้นในการทำให้หยุดทำงาน

• ผลป้องกันของอิเล็กตรอนภายในเพิ่มขึ้นจากบนลงล่างในกลุ่ม ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์ถูกกระทบจากประจุนิวเคลียสน้อยลงและสามารถนำออกได้ง่ายขึ้น

มีข้อยกเว้นบางประการสำหรับแนวโน้มทั่วไปนี้ เช่น โลหะดินระเบิด (กลุ่ม 2) และธาตุไนโตรเจน (กลุ่ม 15) ธาตุเหล่านี้มีพลังงานไอออนิซ์สูงกว่าธาตุที่อยู่ใกล้เคียง เพราะพวกมันมีวงโคจรที่เต็มหรือครึ่งเต็มซึ่งมั่นคงและต้านทานการไอออนิซ์

พลังงานไอออนิซ์มีความสำคัญในการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางเคมีของธาตุและแนวโน้มในการสร้างพันธะโคเวเลนต์หรือไอออนิกกับธาตุอื่น ๆ ธาตุที่มีพลังงานไอออนิซ์ต่ำมักสูญเสียอิเล็กตรอนและสร้างไอออนบวก (คาติออน) ในขณะที่ธาตุที่มีพลังงานไอออนิซ์สูงมักได้รับอิเล็กตรอนและสร้างไอออนลบ (อานิออน) ธาตุที่มีพลังงานไอออนิซ์ใกล้เคียงกันมักแบ่งปันอิเล็กตรอนและสร้างพันธะโคเวเลนต์

ตัวอย่างเช่น โซเดียม (Na) มีพลังงานไอออนิซ์ต่ำ 496 kJ/mol ในขณะที่คลอรีน (Cl) มีพลังงานไอออนิซ์สูง 1251.1 kJ/mol เมื่อเกิดปฏิกิริยาโซเดียมสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็น Na+ ในขณะที่คลอรีนได้รับอิเล็กตรอนและกลายเป็น Cl- พวกมันสร้างพันธะไอออนิกโดยแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างความชาร์จตรงข้ามของพวกมัน

ในทางตรงกันข้าม คาร์บอน (C) และออกซิเจน (O) มีพลังงานไอออนิซ์ใกล้เคียงกัน 1086.5 kJ/mol และ 1313.9 kJ/mol ตามลำดับ เมื่อเกิดปฏิกิริยาพวกมันแบ่งปันอิเล็กตรอนและสร้างพันธะโคเวเลนต์โดยการทับซ้อนวงโคจร พวกมันสร้างโมเลกุลเช่น CO2 (คาร์บอนไดออกไซด์) หรือ CO (คาร์บอนมอนอกไซด์)

ความแตกต่างในพลังงานไอออนิซ์ระหว่างธาตุที่เกิดปฏิกิริยาสามารถใช้ในการคาดการณ์ประเภทของพันธะที่พวกมันสร้าง ความแตกต่างที่ใหญ่ (>1.7) บ่งบอกถึงพันธะไอออนิก ความแตกต่างที่เล็ก (<0.4) บ่งบอกถึงพันธะโคเวเลนต์ไม่ขั้ว และความแตกต่างที่อยู่ระหว่าง (​0.4-1.7) บ่งบอกถึงพันธะโคเวเลนต์ขั้ว

ตัวอย่างของการไอออนิซ์ในบริบทต่างๆ

การไอออนิซ์สามารถเกิดขึ้นในบริบทต่างๆ เช่น ในธรรมชาติ ในเทคโนโลยี และในการทดลองในห้องปฏิบัติการ ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของการไอออนิซ์ในสถานการณ์ต่างๆ:

• ในธรรมชาติ การไอออนิซ์สามารถเกิดขึ้นเมื่ออะตอมหรือโมเลกุลถูกสัมผัสกับรังสีพลังงานสูงจากลำแสงคอสมิก ดวงอาทิตย์ หรือแหล่งอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ลมสุริยะ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ สามารถไอออนิซ์อะตอมและโมเลกุลในชั้นบรรยากาศบนของโลก สร้างชั้นพลาสมาที่เรียกว่าไอโอโนสเฟียร์ ไอโอโนสเฟียร์สะท้อนและหักเหคลื่นวิทยุ ทำให้การสื่อสารและการนำทางระยะไกลเป็นไปได้ อีกตัวอย่างหนึ่งของการไอออนิซ์ตามธรรมชาติคือการสร้างแสงเหนือ ซึ่งเป็นการแสดงแสงสีต่างๆ ที่เกิดจากการโต้ตอบของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากลมสุริยะกับสนามแม่เหล็กและชั้นบรรยากาศของโลก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าชนกับโมเลกุลในอากาศและไอออนิซ์พวกมัน ทำให้พวกมันแผ่แสงสีต่างๆ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานและชนิดของพวกมัน

• ในเทคโนโลยี การไอออนิซ์สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่น ในการวิเคราะห์มวลสาร การรักษาด้วยรังสี และการหลอมรวมนิวเคลียส การวิเคราะห์มวลสารเป็นเทคนิคที่วัดอัตราส่วนมวลต่อประจุของไอออนที่สร้างขึ้นจากการไอออนิซ์ตัวอย่างของสาร การวิเคราะห์นี้สามารถใช้ในการระบุและวัดองค์ประกอบทางเคมีของสาร เช่น ยา โปรตีน สารปนเปื้อน ฯลฯ การรักษาด้วยรังสีเป็นการรักษาที่ใช้รังสีไอออนิซ์เพื่อฆ่าเซลล์มะเร็งหรือทำให้ก้อนเนื้อลดขนาด รังสีทำลาย DNA ของเซลล์มะเร็งและป้องกันไม่ให้เซลล์เหล่านี้