游離能

Posted on 2013/08/09 in 化學 with 有 1 則迴響。 80,943 views

游離能 ( Ionization energy , IE )
國立臺灣師範大學化學系陳筱鳳碩士生

定義：從氣態原子移出一個束縛最鬆的電子所需的能量，稱為該原子的游離能 ( ionization energy ，常簡稱為 IE 或 I ) 。^[1]

\(\mathrm{M_{(g)}\rightarrow {M_{(g)}}^++e^- }\)

\(\Delta H=IE_1\)

游離能即為移出氣態原子最高能階軌域之一個電子所需的能量，而從原子中移出電子其過程必須提供能量，為吸熱反應，因此反應熱 \(\Delta H\) 必為正值。

例如：將氣態氫原子的一個電子從 \(n = 1\) 至 \(n =\infty\) 能階所需的能量為

\(\Delta E=13.6\times(\frac{1}{1^2}-\frac{1}{\infty^2})=13.6~eV/\) 個

從氣態的原子移出束縛最鬆的第一個電子所需的能量稱為第一游離能 ( first ionization energy，以 \(IE_1\) 表示，若無特別聲明，一般所說的游離能均指第一游離能而言 ) 依次移去第二個、第三個、……、第 \(n\) 個電子所吸收的能量稱為第二游離能 \((IE_2)\)、第三游離能 \((IE_3)\)、……、第 \(n\) 游離能，即

\(\mathrm{{M_{(g)}}^+\rightarrow {M_{(g)}}^{2+}+e^- }\) \(\Delta H=IE_2\)

\(\mathrm{{M_{(g)}}^{2+}\rightarrow {M_{(g)}}^{3+}+e^- }\) \(\Delta H=IE_3\)

其大小為 \(IE_1<IE_2<IE_3<……\)

第一游離能在週期表之規律性：

\((1)\) 主族元素同一週期游離能隨原子序增加 ( 即核電荷增大 ) 而呈鋸齒狀增加，到稀有氣體由於具有穩定的電子層結構，其游離能最大。

\((2)\) 過渡金屬元素同一週期從左至右，由於有效核電荷增加不多，原子半徑減小緩慢，故游離能大小相差不大。

\((3)\) 同一主族元素從上到下游離能隨原子序增加而減小。因爲同主族元素的價電子數相同，隨原子序增加，原子半徑逐漸增大，外層電子距原子核的距離增加，受核之有效吸引力逐漸減弱，故游離能減小。

\((4)\) 主量子數 \(n\) 相等，因能階高低為 \(ns<np<nd<nf\)，故移去 \(s\)、\(p\)、\(d\)、\(f\) 電子所需游離能大小順序為 \(s>p>d>f\)。

第二週期元素之游離能大小： \(\mathrm{Li<B<Be<C<O<N<F<Ne}\)

\((5)\) 當外圍電子在能量相等的軌道上形成全滿 (\(s^2\)、\(p^6\)、\(d^{10}\)、\(f^{14}\)) 、半滿 (\(p^3\)、\(d^5\)、\(f^7\)) 或全空 (\(p^0\)、\(d^0\)、\(f^0\)) 的結構時，因電子雲對稱，元素的第一游離能較大。

\((6)\) 同列主族元素之第 \(n\) 游離能以第 \(n\) 行最小，第 \(( n-1 )\) 行元素最大。

影響游離能大小的因素是：有效核電荷、原子半徑、和原子的電子構型。^[2]

游離能可以定量的比較氣態原子失去電子的難易，游離能越大，原子越難失去電子，其還原性越弱；反之金屬性越強。也可以用來判斷原子失去電子的數目和形成的陽離子所帶的電荷。

如果 \(IE_2\gg IE_1\)，則原子易形成 \(+1\) 價陽離子而不易形成 \(+2\) 價陽離子；如果 \(IE_3\gg IE_2>IE_1\)，即游離能在 \(IE_2\) 和 \(IE_3\) 之間突然增大，則元素 \(\mathrm{M}\) 較易形成 \(\mathrm{M^+}\) 或 \(\mathrm{M^{2+}}\) 而較不易形成 \(\mathrm{M^{3+}}\)。

游離能的測定可在陰極射線管中裝入少量氣態元素，外加電壓可測得電流的強度，逐漸增加電壓開始時，電流強度並沒有明顯變化；若電壓持續增加至某一定值時，電流強度急速增加，此一定值稱為游離電位，其所相當之能量稱為游離能。其原理是氣態原子的電子受到某一定值的能量 ( 由電壓控制 ) 的撞擊，使最外層的電子離開原子而飛到陽極，增加兩極間電子數，因而可測得電流強度的增加。^[1][3]