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[G. Chem] 16. 이온화에너지(Ionization Energy)

대학화학

by moduphysics 2020. 4. 5. 22:29

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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.

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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