電離能 – 定義、公式和影響因素

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什麼是電離能？

原子中電子脫離原子核影響所需的最小能量稱為電離能。換句話說，電子由於核力的作用而從原子或離子中移除所面臨的困難程度稱為電離能。因此，電離能衡量了電子在原子或離子中被束縛的強度或結合力。電離能有時也稱為電離勢。

或者，向孤立原子提供一定能量，將其最鬆散結合的價電子提取出來形成正原子或離子，這種能量被稱為電離能。電離能以電子伏特 (eV)或kJ/mol為單位測量。

電離能基本上可以瞭解化學化合物的反應性，因此，我們可以用它來確定化學鍵的強度。電離能的測量使用放電管。

根據分子的電離情況，電離能可以分為以下兩種型別：

• 絕熱電離能
• 垂直電離能

對於任何原子 X，我們有以下關係：

$$\mathrm{X+電離能\rightarrow X^{+}+e^{-} }$$

玻爾原子模型和電離能

玻爾原子模型可以解釋電離能。根據玻爾原子模型，原子具有多個路徑，稱為軌道，電子圍繞原子核運動。每個軌道都與原子核保持固定距離，並代表固定的能量。因此，任何軌道中的電子都將具有該軌道的能量。然而，電子可以吸收能量並移動到下一個更高能量的軌道。如果電子有更多能量可以吸收，電子將離開原子。

電離能的計算

為了理解如何計算電離能，考慮一個由電子繞帶正電的原子核旋轉的原子。該電子由於庫侖引力而與原子核結合，因此電子可以具有固定的能級。根據玻爾原子模型，該能量由下式給出：

$$\mathrm{E_{n}=-13.6\times \frac{Z^{2}}{n^{2}}\, \, eV=-\left (2.18 \times 10^{-18} \right )\times \frac{Z^{2}}{n^{2} }\:\:J/atom}$$

其中，Z 是原子序數，n 是軌道的數目。

電離能是從基態或最穩定狀態將電子帶到無窮遠處所需的能量。因此，如果我們將無窮遠處的參考值設為 0 eV，則電離能由下式給出：

$$\mathrm{IE = 0 - E(0)}$$

第一電離能和第二電離能

從中性原子中去除第一個電子所需的能量稱為第一電離能。數值上，第一電離能等於電子的軌道能量，但符號相反。

從帶正電的原子或離子中去除第二個電子所需的能量稱為第二電離能。

需要注意的是，一旦第一個電子從原子中提取出來，其餘電子上的靜電吸引力就會增加。因此，去除第二個電子更加困難。因此，第二電離能將大於第一電離能。類似地，第三電離能大於第二電離能，依此類推。

元素週期表中的電離能

在元素週期表中，當我們從左到右穿過元素時，由於原子半徑減小，電離能增加。因此，電子的電離能隨著原子序數的增加而增加。

但是，當我們從上到下時，由於原子半徑增加，電離能降低。

影響電離能的因素

以下是影響電離能的一些因素：

• 電離能受原子大小的影響，即電離能隨著原子大小的增加而減小，反之亦然。

• 核電荷，即原子核上的電荷影響電離能。其中，核電荷越多，去除電子所需的電離能就越多。

• 要從具有穩定電子構型的原子中去除電子，需要更多的電離能。

• 由於庫侖引力，從內層電子殼層中提取電子更加困難，因此需要更多的電離能。