Іонізація — це фундаментальне поняття в хімії та фізиці, яке описує перетворення електрично нейтральних атомів або молекул на електрично заряджені. Іонізація відбувається, коли атом або молекула набуває або втрачає один або кілька електронів, що призводить до позитивного або негативного заряду. Заряджений атом або молекула називається іоном.

Іонізація може відбуватися різними способами, такими як через зіткнення, хімічні реакції або вплив електромагнітного випромінювання. Іонізація грає важливу роль у багатьох природних та технологічних явищах, таких як полярні сяйва, зв'язок через іоносферу, мас-спектрометрія, радіотерапія та термоядерний синтез.

У цій статті ми пояснимо процес іонізації детально, використовуючи хлорид натрію (NaCl) як приклад. Ми також обговоримо фактори, які впливають на процес іонізації, такі як енергія іонізації та відносна проникність середовища. Нарешті, ми надамо деякі приклади іонізації в різних контекстах.

Що таке процес іонізації?

Процес іонізації включає передачу електронів між атомами або молекулами. Для ілюстрації цього процесу розглянемо випадок хлориду натрію (NaCl), який є загальним солям, яку ми використовуємо в повсякденному житті.

Хлорид натрію складається з атомів натрію (Na) та хлору (Cl), які з'єднуються електростатичною силою. Атомні номери Na та Cl дорівнюють 11 та 17 відповідно, що означає, що вони мають 11 та 17 електронів, що обертаються навколо їхніх ядер.

Розташування цих електронів показано на малюнку нижче. Електрони розподілені в різних оболонках або орбітах навколо ядра, відповідно до їхніх енергетичних рівнів. Зовнішня оболонка називається валентною оболонкою, і вона визначає хімічні властивості атома.

Як видно з малюнку, атом Na має лише один електрон у своїй валентній оболонці, тоді як атом Cl має сім електронів у своїй валентній оболонці. Для досягнення стабільної конфігурації атоми прагнуть мати вісім електронів у своїй валентній оболонці, відповідно до правила октету.

Тому, атоми Na та Cl нестабільні або хімічно активні. Коли вони наближаються один до одного, вони піддаються хімічній реакції, яка включає обмін електронів.

Атом Na втрачає свій валентний електрон і стає додатно зарядженим іоном (Na+), тоді як атом Cl отримує електрон і стає від'ємно зарядженим іоном (Cl-). Цей процес називається іонізацією.

Іони Na+ та Cl- притягуються один до одного електростатичною силою, формуючи молекулу NaCl. Ця сила пропорційна добутку їхніх зарядів і обернено пропорційна квадрату їхньої відстані, відповідно до закону Кулона.

Рівняння для закону Кулона:

Де F — сила, Q1 та Q2 — заряди, r — відстань, а εr — відносна проникність середовища.

Відносна проникність (також називається диелектричною сталою) є мірою того, наскільки матеріал зменшує електричне поле всередині нього порівняно з вакуумом. Відносна проникність вакууму за визначенням дорівнює 1.

Відносна проникність впливає на силу електростатичної сили між іонами. Наприклад, відносна проникність повітря становить близько 1,0006, тоді як відносна проникність води при 20°C становить близько 80.

Це означає, що коли NaCl розчиняється в воді, електростатична сила між іонами Na+ та Cl- стає 80 разів слабішою, ніж в повітря. В результаті, іони Na+ та Cl- відокремлюються один від одного і стають вільними для руху в розчині.

Енергія іонізації та її фактори

Один з факторів, які впливають на процес іонізації, — це енергія іонізації. Енергія іонізації — це кількість енергії, необхідної для відторгнення електрона від ізольованого, газового атома або молекули в їхньому основному стані. Енергія іонізації зазвичай виражається в кДж/моль, або кількість енергії, необхідної для того, щоб всі атоми в молі втратили по одному електрону кожен.

Енергія іонізації залежить від декількох факторів, таких як атомний номер, атомний радіус, електронна конфігурація та ефект екранування внутрішніми електронами. Ці фактори впливають на те, наскільки сильно ядро тримає валентні електрони та наскільки легко їх можна відторгнути.

Енергія іонізації загалом збільшується зліва направо в періоді та зменшується зверху вниз в групі періодичної системи. Це тому, що:

• Атомний номер збільшується зліва направо в періоді, що означає, що ядерний заряд збільшується, і валентні електрони більше притягуються до ядра.

• Атомний радіус зменшується зліва направо в періоді, що означає, що валентні електрони знаходяться ближче до ядра і важче відторгнути.

• Електронна конфігурація змінюється зліва направо в періоді, що означає, що деякі елементи мають більш стабільні або напівзаповнені орбіталі, які вимагають більше енергії для руйнування.

• Ефект екранування внутрішніми електронами збільшується зверху вниз в групі, що означає, що валентні електрони менше впливають на ядерний заряд і легше відторгнути.

Існують деякі винятки з цього загального тренду, такі як щелочноземельні метали (група 2) та азотні елементи (група 15). Ці елементи мають більші енергії іонізації, ніж їхні сусідні елементи, тому що вони мають повністю заповнені або напівзаповнені орбіталі, які більш стабільні та стійкі до іонізації.

Енергія іонізації важлива для розуміння хімічної поведінки елементів та їхньої схильності до формування ковалентних або іонних зв'язків з іншими елементами. Елементи з низькою енергією іонізації схильні втрачати електрони та формувати додатні іони (катіони), тоді як елементи з високою енергією іонізації схильні набувати електрони та формувати від'ємні іони (аніони). Елементи з подібною енергією іонізації схильні ділитися електронами та формувати ковалентні зв'язки.

Наприклад, натрій (Na) має низьку енергію іонізації 496 кДж/моль, тоді як хлор (Cl) має високу енергію іонізації 1251,1 кДж/моль. Коли вони реагують, натрій втрачає електрон і стає Na+, тоді як хлор набуває електрон і стає Cl-. Вони формують іонний зв'язок через електростатичне притягання їхніх протилежних зарядів.

З іншого боку, вуглець © та кисень (O) мають подібну енергію іонізації 1086,5 кДж/моль та 1313,9 кДж/моль відповідно. Коли вони реагують, вони діляться електронами та формують ковалентні зв'язки шляхом наслаювання їхніх орбіталей. Вони формують молекули, такі як CO2 (вуглекислий газ) або CO (окись вуглецю).

Різниця в енергіях іонізації між двома реагуючими елементами може бути використана для прогнозування типу зв'язку, який вони формують. Велика різниця (>1,7) вказує на іонний зв'язок, мала різниця (<0,4) вказує на неполярний ковалентний зв'язок, а проміжна різниця (0,4-1,7) вказує на полярний ковалентний зв'язок.

Приклади іонізації в різних контекстах

Іонізація може відбуватися в різних контекстах, таких як в природі, в технологіях та в лабораторних експериментах. Ось деякі приклади іонізації в різних ситуаціях:

• У природі, іонізація може відбуватися, коли атоми або молекули виставляються впливу високоенергетичного випромінювання від космічних променів, Сонця або інших джерел. Наприклад, сонячний вітер, який складається з заряджених частинок, виділяється Сонцем, може іонізувати атоми та молекули верхньої атмосфери Землі, створюючи шар плазми, відомий як іоносфера. Іоносфера відображає та преломлює радіоволни, забезпечуючи довговідстаневе зв'язок та навігацію. Інший приклад природної іонізації — це формування полярних сяйв, які є яскравими світловими відображеннями, спричиненими взаємодією заряджених частинок від сонячного вітру з магнітним полем Землі та атмосферою. Заряджені частинки зіткаються з молекулами повітря, іонізують їх, призводячи до випромінювання світла різних кольорів, залежно від їхніх енергетичних рівнів та типів.