이온화에너지(ionization energy): 중성 기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내는 데 필요한 에너지
- 전자를 방출하기 쉬운 금속원소(metal atoms, M)의 전자방출정도로 '기체상'을 기준으로 한다.
- 고체나 액체 상의 금속에 에너지를 가하면 전자 방출이 아닌 '상 변화'에 에너지가 사용된다.
그림 1. For any metal atoms Y, Y+IE leads to one electron emission from Y
Chemical Equation of Ionization Energy
- 해석: 핵-전자 간의 전기적 인력을 극복하고 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지 ⇒ 즉, 이온화에너지란 핵-원자가 전자 간 알짜 인력의 정도를 수치적 에너지로 나타낸 값이다.
- IE는 IE>0의 관계식을 갖는다.
- 엔탈피 변화량 ΔH 역시 0보다 큰 값이다.
Electrostatic Explanation of Ionization Energy
- Z: 핵 속의 양성자 개수(the number of protons in the nucleus)
- n: 주양자수로 최소 1부터 시작되는 정수
- 이온화에너지의 단위는 전자볼트(eV)로 작성된다.
Ionization Graph
그림 2. 이온화에너지 도표
- 최대 이온화에너지: He
- 이온화에너지의 경향
1. 핵의 양성자수가 많을 수록 전자간 인력이 강해져 이온화에너지가 커진다.
2. 원자의 전자껍질수가 많을 수록 핵-전자간 거리가 멀어져 이온화에너지가 작아진다.
3. 가리움효과: 전자 간의 반발력 효과가 떨어져 이온화에너지가 커진다.
※주기율표 상에서 이온화에너지의 경향성
같은 족에서는 원자번호가 작아질수록 이온화에너지가 커지는 반면, 같은 주기에서는 원자번호가 커질수록 이온화에너지가 증가한다.
순차 이온화에너지
중성기체 상태의 원자에서 전자를 차례로 떼어낼 때 각 단계마다 이온화에너지의 값이 다르다.
- 1차 이온화에너지: 중성기체 상태의 원자에서 최외각 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지
- 2차 이온화에너지: 중성기체 상태의 원자에서 최외각 전자를 떼어낸 뒤 그 다음 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지, 즉 두 번째 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지
순차 이온화에너지의 수치는 원자의 구조에 따라 그 값이 매우 크게 변화한다.
1. 가리움효과: 전자 간 반발력이 증가하면 핵-전자 간 인력이 매우 쉽게 극복된다.
2. 전자껍질: electron shell의 수가 감소하면 핵-전자 간 거리가 가까워져 핵-전자 간 인력이 크게 증가한다.
- 순차 이온화에너지의 경향을 통해 그 화학종의 최초 원자가 전자수를 확인할 수 있다. ⇒ 이온화에너지의 값 차이가 2배 이상 날 경우, 전자껍질 상의 변화가 있었던 것으로 파악할 수 있다.
예를 들어, 마그네슘의 원자가 전자는 2개인데 2차 이온화에너지(1450kJ/mol)와 3차 이온화에너지 차이(7730kJ/mol)가 5배가 넘는다. 따라서 값이 증가한 지점 바로 이전의 n차 이온화에너지의 수 n이 이 원소의 최초 원자가 전자수이다.
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순차적인 이온화 에너지 값의 추이를 통해 원자의 원자가 전자 수를 파악할 수 있다. IE_i(n)보다 IE_i(n+1)이 매우 크면 원자가 전자의 개수는 n개이다. |
그림 3. 순차 이온화에너지
3. 동일한 원소에서의 순차적 이온화에너지는 '고차(higher order)'로 갈수록 항상 증가한다.
이온화에너지의 경향성 이탈
그림 4. 이온화에너지의 경향성 이탈
1. 같은 주기에서 13, 16, 1족 원소가 경향성으로부터 벗어난다.
- 13족: 각운동량양자수의 변화(부양자수 변화) e.g B의 이온화에너지
B의 홑원소를 떼어내는 것이 Be의 2s오비탈에서의 전자 분리보다 쉽다.
- 16족: 전자간 반발력 효과 e.g. O의 이온화에너지
N은 스핀다중도가 최대인 안정한 배치이다. 그러나 O는 2p 오비탈의 스핀다중도가 깨어져 불안정하므로 전자를 분리함으로써 안정한 스핀다중도를 추구한다.
- 1족: 전자껍질의 수 변화(주양자수 변화)
2. 2차 이온화에너지의 이온화에너지 경향성 이탈: 14, 17, 2족 원소
- 단, Cl의 2차 이온화에너지는 S의 2차 이온화에너지 값보다 약간 크다.
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