Свойства атомов.

1. Потенциал (энергия) ионизации.

Электрон может быть удален из атома при столкновении его с другим электроном, быстро движущимся. Этот процесс называется ионизацией:

е* + А⁰ ↔ А⁺¹ + 2е^– [5]

атом превращается в положительно заряженный ион (катион), а электрон теряет энергию, обращаясь в медленный электрон. Ионизация играет важную роль во многих химических превращениях и определяет способность атомов (особенно металлических элементов) образовывать катионы.

Но для того, чтобы это произошло, быстро движущийся электрон е* должен обладать достаточным запасом энергии, потому что для отрыва электрона от атома надо преодолеть силу притяжения электрона к ядру, т.е. надо затратить энергию. Так вот, эта энергия называется энергией ионизации.

Схема установки Франка и Герца для определения потенциала ионизации

Исторически впервые ионизация атомов была проведена методом электронного удара на установке, разработанной двумя учеными: Франком и Герцем (рис.) [5]. В вакуумной трубке имеются катод – источник электронов, вырывающихся из раскаленной вольфрамовой проволоки, сетка с небольшим положительным потенциалом, способная захватывать медленные электроны; анод с регулируемым напряжением, которое ускоряет движение электронов, эмиттирующих с катода. Когда поток катодных электронов встречает на своем пути атомы и соударяется с ними, происходит ионизация атомов, вследствие чего резко увеличивается количество медленных электронов и на кривой зависимости тока сетки от напряжения появляется резкий пик, а на кривой тока анода – резкий минимум при том же значении напряжения. Напряжение, при котором это происходит, называют потенциалом ионизации. Потенциал ионизации связан с энергией ионизации соотношением

E = eu

е– заряд электрона,

Термин потенциал ионизации применяют гораздо чаще, чем энергия ионизации.

Атом может терять не только 1 электрон, но и 2 и 3, и тогда говорят о первом, втором и третьем потенциалах ионизации. Однако для отрыва 2 электрона требуется больше энергии, а для 3 – еще больше. В следующей таблице приведены значения первых потенциалов ионизации (B) для некоторых элементов [5]:

№ периода	1 группа	2	3	4	5	6	7	8
1	1 H 13,54							2 He 24,48
2	3 Li 5,37	4 Be 9,30	5 B 8,28	6 C 11,24	7 N 14,51	8 O 13,57	9 F 17,46	10 Ne 21,47
3	11 Na 5,09	12 Mg 7,63	13 Al 5,94	14 Si 8,14	15 P 10,45	16 S 10,42	17 Cl 13,01	18 Ar 15,68

Таким образом, видно, что в пределах одной группы с увеличением заряда ядра потенциалы ионизации уменьшаются, а в пределах периода – увеличиваются. Почему это именно так? Какова причина?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим формулу: в соответствии с законом Кулона [9] энергия ионизации атома определяется выражением

E = (q₁q₂) / r = (eZ_эфф) / r

q₁ – заряд электрона е; q₂ = Z_эфф – эффективный заряд ядра; r – средний радиус нахождения ионизируемого электрона относительно ядра.

Расшифруем понятие Z_эфф. Под эффективным зарядом понимается кажущийся заряд ядра, который воздействует на данный рассматриваемый электрон. Величина Z_эфф меньше, чем истинный заряд ядра, потому что каждый внешний электрон частично экранируется от действия ядра внутренними электронами. Для самых внешних электронов степень экранирования истинного заряда ядра другими электронами этого же атома можно охарактеризовать постоянной экранирования S, которая определяется как разность между истинным и эффективным зарядами. Таким образом, Z_эфф = Z-S. Например, Z_эфф атома азота для одного из электронов валентного (внешнего) уровня равен 3,9 (вместо 7); а для атома гадолиния Z_эфф равен 3, вместо 64!

При определении степени экранирования руководствуются правилом:

электроны каждого энергетического уровня слабо экранируются другими электронами, находящимися на том же уровне, но существенно экранируются электронами, находящимися на более глубоких уровнях, т.е. ближе к ядру.

Теперь вернемся к приведенному соотношению. Оно показывает, что энергия ионизации (и потенциал тоже) тем меньше, чем меньше эффективный заряд ядра и чем больше средний радиус нахождения электрона относительно ядра. Тогда становится понятным, что в пределах группы с увеличением порядкового номера увеличивается радиус атома, следовательно, увеличивается средний радиус нахождения внешнего электрона, а это приводит к уменьшению потенциала ионизации (табл.2):

Элемент	Атомный радиус Å	Потенциал ионизации эВ
Li Na K Rb Cs	1,52 1,86 2,31 2,44 2,62	5,37 5,09 4,34 4,18 3,89

С другой стороны, вместе с увеличением радиуса нахождения электрона увеличивается и общее количество электронов, значит, увеличивается постоянная экранирования, а это значит, что уменьшается Z_эфф.

В периоде с увеличением заряда ядра сильно увеличивается и Z_эфф, потому что электроны одного и того же уровня очень слабо экранируют друг друга. Вместе с тем радиус нахождения электрона уменьшается, поскольку уменьшается атомный радиус элементов. Эти изменения приводят к увеличению потенциала ионизации.

Таким образом, наименьшим потенциалом ионизации обладают металлы, особенно щелочные и щелочноземельные, т.е. металлы главных подгрупп 1 и 2 групп. А наиболее высокими значениями потенциалов ионизации обладают типичные неметаллы – элементы главных подгрупп с 5 по 8 групп. Максимальный – у инертных газов.

2) Сродство атома к электрону.

Когда к атому присоединяется электрон, образуется отрицательно заряженная частица – анион.

А⁰ + е → А^–.

Энергия, необходимая для присоединения к атому дополнительного электрона, называется сродством атома к электрону. Численно она равна энергии ионизации с обратным знаком:

А^– → А⁰ + е,

Энергия сродства также измеряется в эВ.

Не все атомы легко присоединяют электроны, поэтому такой процесс может быть как экзотермическим (с выделением энергии) так и эндотермическим (с поглощением).

Наибольшим сродством обладают атомы галогенов. Для ряда элементов сродство к электрону близко к 0 или меньше 0. Очень малые значения сродства к электрону имеют все те же щелочные и щелочно-земельные металлы. Это означает, что эти металлы с легкостью могут терять электрон, но присоединяют его с трудом большим. Нулевое или отрицательно значение сродства к электрону означает, что для данного элемента устойчивого отрицательного иона в свободном виде не существует. Например, таким сродством обладают гелий, бериллий, неон, магний, аргон, кальций, марганец, стронций, азот [10].

Положительные значения сродства к электрону указывают на то, что присоединение электрона сопровождается выделением энергии. Например, для процесса

О + ē → О^–+ 1,48 эВ (энергия выделяется)