طاقة تأين

طاقة التأين لذرة (Ionization Energy IE) هي الطاقة اللازمة لنزع إلكترون منها. وبتعميم أكثر، تكون طاقة التأين ن هي طاقة نزع الإلكترون ن بعد نزع الإلكترونات ن-1. وطاقة التأين ذات أهمية كبيرة في الكيمياء الفيزيائية نظرا لأنها مقياس لمقدار إذعان الذرة لفقد الإلكترونات، أو بمعنى اخر القوة التي يتم إمساك الإلكترون بها. ويمكننا القول ان طاقة التأين (Ionization Energy ) هي الطاقة الازمة لنزع إلكترون واحد من ذرة العنصر ليصبح عنصرًا ذا شحنة موجبة. وقيمة هذه الطاقة تدلنا على صعوبة نزع الإلكترون من ذرة العنصر فكلما كانت كبيرة كان تأين هذا العنصر صعبًا والعكس صحيح. وفي أغلب الأحيان يحدث النزع في عدة خطوات متتالية وتسمى الطاقة لنزع الإلكترون الأول طاقة التأين الأولى وطاقة التأين الثانية وهكذا للإلكترونات التالية لها. وغالبًا ما تحدث هذه العملية بتسليط أشعة ضوئية بذبذبة معينة للعنصر في حالة الغازية فيمتصها العنصر لنزع الإلكترون من مداره. ومن الطبيعي أنه كلما كان حجم العنصر صغيرًا كانت جاذبية النواة للإلكترون الخارجي قوية ويصعب بذلك نزعه والعكس صحيح, ولهذا السبب فإن طاقة التأين تزداد للعناصر من اليسار إلى اليمين في الدورة الواحدة وتتناقص من أعلى إلى أسفل في المجموعة.

القيم والإتجاهات

بصفة عامة، فإن طاقة التأين تزداد خلال المجموعة بالجدول الدوري وتزيد من اليسار لليمين خلال الدورة وذلك بسبب زيادة العدد الذري مما يؤدي إلى زيادة الشحنة النووية الفعالة (الشحنة النووية الفعالة = شحنة النواة - معامل الحجب) فزيادة العدد الذري يؤدي إلى زيادة عدد البروتونات في النواة مما يؤدي إلى زيادة جذب الذرة لالكترونات المستويات الخارجية فتزداد الطاقة اللازمة لنزع الالكترون فتزداد طاقة التأين. كما أن طاقة التأين تتناسب عكسيا بشدة مع نصف القطر الذري فكلما ازداد نصف القطر الذري زاد بعد الكترونات المستويات الخارجية عن النواة وقل جذب النواة لها فيسهل نزعها من الذرة فتقل طاقة التأين اللازمة. كما أن هناك زيادة كبيرة في طاقة التأين بعد نفاذ أى مستوى فرعى للمدارات الذرية. وهذا لأنه بعد انتقال الإلكترونات من مدار معين، فإن طاقة التأين تتضمن إزالة إلكترون من مدار أقرب للذرة. وتكون الإلكترونات الموجودة في مدارات قريبة لها قوى جذب كهرستاتيكية أكبر، وعلى هذا تتطلب طاقة أكبر لتحريكها.

بعض قيم طاقة التأين للدورة الثالثة في الجدول التالي :

طاقة التأين كيلو جول لكل مول (وحدة)

العنصر	الأولى	الثانية	الثالثة	الرابعة	الخامسة	السادسة	السابعة
Na	496	4,560
Mg	738	1,450	7,730
Al	577	1,816	2,744	11,600
Si	786	1,577	3,228	4,354	16,100
P	1,060	1,890	2,905	4,950	6,270	21,200
S	999	2,260	3,375	4,565	6,950	8,490	11,000
Cl	1,256	2,295	3,850	5,160	6,560	9,360	11,000
Ar	1,520	2,665	3,945	5,770	7,230	8,780	12,000

التفسير الكهر ستاتيكي

يمكن توقع طاقات التأين باستخدام تحليل بسيط عن طريق الجهد الكهرستاتيكي ونموذج بور للذرة كالتالي :

بافتراض إلكترون له طاقة e-، وأيون له شحنة ne+، حيث n هي عدد الألكترونات المفقودة من الأيون. وطبقا لنموذج بور، حيث سيقوم الإلكترون بالاقتراب والارتباط بالذرة، فسوف يكون على بعد نصف قطر a. ويكون الجهد الكهرستاتيكي على مسافة a من نصف القطر الأيوني، يرجع لنقطة محددة على بعد :

$V=\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\frac{ne}{a}$

وحيث ان الإلكترون له شحنة سالبة، ومسحوب ناحية الجهد الموجب. (وقيمة هذا الجهد يسمى جهد التأين) والطاقة اللازمة له ليقفز ويترك الذرة هي :

$E=eV=\frac{1}{4\pi {ϵ}_0}\frac{n{e}^2}{a}$

وهذا التحليل البسيط غير كامل ويترك المسافة a غير معروفة. ويمكن ان يكون أكثر دقة بتحديد هذه المسافة لكل إلكترون في العناصر الكيميائية، وعلى هذا تتطابق العلاقة مع التجارب العملية.

التفسير طبقا لميكانيكا الكم

طبقا لنظرية ميكانيكا الكم ذات التعقيد الأكثر، فإن مكان الإلكترون يتم وصفه كسحابه للأماكن المتوقع وجوده فيها (بالتحديد مدار إلكتروني) والتي تتراوح بالقرب والبعد من النواة. ويمكن حساب الطاقة بتكامل هذه السحابة، ويكون أبسط شكل لأخر طاقة تأين كالتالي :

$E=-\int {\psi }^{*}(\mathbf{r})H\psi (\mathbf{r})d^3\mathbf{r}$

حيث H الهاملتونية (ميكانيكا كم)، $\psi$ هي المعادلة الموجية للحالة الأرضية، حيث أن الدالة الذاتية لل H لأقل طاقة. وبالوحدات الذرية فإن H تقريبا تكون :

$H=-\frac{Z}{\left|\mathbf{r}\right|}-\frac{1}{2}{\mathrm{\nabla }}^2$

حيث ان Z هي الشحنة النووية. وبوجود الهماملتونية فإن الطاقة يمكن حسابها بسهولة، وفى الواقع تكون مساوية للطاقة المعطاة في نموذج بور، بالمسافة المحددة $a=a_0/Z$ حيث $a_0$ هي نصف قطر بور.

وبصفة عامة، فإن حساب طاقة التأين ن تتطلب طرح طاقة النظام Z-n+1 من طاقة النظام Z-n. المعادلة الأولى بالأعلى تمتد لتتكامل مع تناسقات كل إلكترون، والطاقة الثانية تتطلب كميتان إضافيتان لكل إلكترون ودفع الإلكترون وكمية لكل زوج من الإلكترونات. وحساب هذه الطاقات ليس سهل، ولكنها موضوع جيد للدراسة، ويتم بصفة منتظمة في الكيمياء الحسابية.

موضوعات متعلقة

• جهد التأين مساوي لطاقة التأين مقسومة على شحنة الإلكترون.
• معادلة الشغل هي الطاقىة اللازمة لنزع إلكترون من المادة الصلبة.
• أيون.
• نظرية كوب مان

af:Ionisasie-energie an:Enerchía d'ionización ast:Enerxía d'ionización bg:Йонизационна енергия bs:Energija ionizacije ca:Energia d'ionització cs:Ionizační potenciál cy:Egni ïoneiddiad de:Ionisierungsenergie el:Ενέργεια ιονισμού Ionization energy]] es:Energía de ionización et:Ionisatsioonienergia eu:Ionizazio-potentzial fa:انرژی یونش fi:Ionisoitumisenergia fr:Énergie d'ionisation gl:Enerxía de ionización hr:Energija ionizacije ht:Enèji iyonizasyon it:Energia di ionizzazione ja:イオン化エネルギー ka:იონიზაციის ენერგია ko:이온화 에너지 lb:Ioniséierungsenergie lv:Jonizācijas potenciāls mk:Енергија на јонизација ml:അയോണീകരണ ഊർജം nds:Ionisatschoonsenergie nl:Ionisatiepotentiaal no:Ioniseringsenergi oc:Potencial d'ionizacion dels elements pl:Potencjał jonizacyjny pt:Potencial de ionização ru:Энергия ионизации sh:Energija jonizacije simple:Ionization energy sk:Ionizačná energia sl:Ionizacijska energija sr:Енергија јонизације sv:Jonisationspotential ta:மின்மமாக்கும் ஆற்றல் th:พลังงานไอออไนเซชัน tk:Baglanyşyk energiýasy tr:İyonlaşma enerjisi uk:Енергія іонізації ur:تائین توانائی uz:Ionlashish energiyasi vi:Năng lượng ion hóa zh:电离能