Năng lượng ion hóa là gì? Đặc điểm và cách xác định

1. Năng lượng ion hóa là gì?

Năng lượng ion hóa có thể hiểu là năng lượng cần thiết để tách electron ra khỏi nguyên tử đó ở trạng thái cơ bản. Dạng năng lượng này ký hiệu là I, đơn vị là KJ/mol. Năng lượng ion này được phân chia ra làm nhiều loại và được gọi theo thứ tự xuất hiện như năng lượng ion hóa thứ nhất, thứ 2, thứ 3,…

Năng lượng ion hóa thứ nhất là gì thì đây là một dạng năng lượng cần thiết để tách electron thứ nhất ra khỏi nguyên tử, ký hiệu là I1. Tiếp đó năng lượng ion hóa thứ 2 (I2), thứ 3 (I3) là dạng năng lượng cần thiết để tách electron thứ 2, thứ 3 ra khỏi các ion tương ứng và giá trị của chúng lớn hơn I1.

Ví dụ: Na → Na+ + e. Để có thể tách 1 mol e ra khỏi 1 mol nguyên tử Natri thì cần tiêu tốn năng lượng là 497 KJ.mol. Vậy ta nói rằng năng lượng ion hóa thứ nhất của Na là 497 KJ/mol/

2. Năng lượng ion hóa có tính chất gì?

Dạng năng lượng này có tính chất rất đặc trưng của các nguyên tử. Nếu electron càng gần hạt nhân thì năng lượng ion hóa càng lớn hơn. Ngược lại nếu electron càng xa hạt nhân thì năng lượng ion càng nhỏ. Với tính chất này sẽ so sánh năng lượng ion hóa như sau : I1<I2< …<In. Nguyên tử càng dễ nhường e do tính kim loại mạnh thì I có trị số càng nhỏ hơn.

Càng xa hạt nhân sự ion hóa càng nhỏ

3. Năng lượng ion hóa trong bảng tuần hoàn hóa học

Ion hóa được diễn ra dựa vào bán kính của nguyên tử, ái lực điện tử, độ âm điện và tính kim loại. Quá trình ion hóa này luôn tuân theo các xu hướng sau:

3.1. Xu hướng tăng dần khi di chuyển từ trái sang phải trong electron

Trong chu kỳ diễn ra của một nguyên tố hoặc một hàng nguyên tố hóa học thì năng lượng I sẽ luôn có xu hướng tăng dẫn. Bởi do bán kính nguyên tử giảm dần khi chuyển động theo chu kỳ. Điều này sẽ khiến lực hút hiệu dụng lớn hơn, tạo ra liên kết giữa các electron âm và hạt nhân điện tích dương.

Độ ion hóa có giá trị nhỏ nhất khi chúng được gắn với các hạt kim loại kiềm bên trái của bảng tuần hoàn hóa học. Chúng đạt cực đại khi liên kết với khí quý ngoài cùng bên phải bảng tuần hoàn. Khí quý sở hữu vỏ hóa trị lấp đầy giúp chống lại sự tách electron.

3.2. Xu hướng giảm dần khi di chuyển từ trên xuống dưới

Năng lượng ion hóa sẽ có xu hướng giảm dần khi di chuyển từ trên xuống dưới. Xu hướng này thường xuyên xảy ra của năng lượng ion và sẽ luôn có sự giảm dần từ trên xuống dưới của nhóm nguyên tố theo cột. Chúng được diễn ra do số lượng tử của electron lớp ngoài cùng tăng lên theo quy tắc.

Trong quá trình di chuyển, nguyên tử liên tục được bổ sung thêm proton từ một nhóm điện tích dương. Chúng tác dụng lên vỏ electron làm nhỏ hơn và lọc electron khỏi lực hấp dẫn hạt nhân. Càng bổ sung nhiều lớp vỏ electron di chuyển xuống nhóm sẽ đẩy xa các phân tử này khỏi hạt nhân.

Xu hướng thay đổi của năng lượng ion hóa trên bảng tuần hoàn

3.3. Năng lượng ion hóa có thể chia thành các năng lượng khác nhau

Một xu hướng khác của I đó là có thể chia thành các năng lượng khác nhau, bao gồm I1, I2, I3 và các ion hóa tiếp theo. Ở năng lượng ion hóa thứ nhất sẽ dùng để bứt electron hóa trị ngoài cùng ra khỏi nguyên tử trung hòa. Năng lượng I2 tiếp tục làm nhiệm vụ loại bỏ các phân tử tiếp theo và các In tiếp theo cũng thực hiện nhiệm vụ này. Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi vào tới hạt nhân nguyên tử.

4. Xác định năng lượng ion hóa bằng cách nào?

Để xác định năng lượng ion hóa thường sẽ sử dụng các phương pháp chính cụ thể như sau:

• Dùng phương pháp chủ yếu là photoemission – Phương pháp này giúp xác định năng lượng ion do các electron phát ra nhờ 2 hiệu ứng, đó là  điện quang và quang phổ nguyên tử.
• Phương pháp quang phổ điện tử cực tím, viết tắt UPS. Phương pháp này sử dụng kích thích nguyên tử và phân tử dựa vào bức xạ của tia cực tím. Năng lượng electron sau đó sẽ liên kết với hạt nhân nguyên tử để việc đo ion hóa dễ dàng hơn.
• Phương pháp quang phổ bản sao của quang điện tử tia X. Phương pháp này vẫn áp dụng nguyên tắc sử dụng cũ như trước là kích thích electron lớp ngoài cùng để nghiên cứu sự khác biệt về các loại bức xạ tạo ra.

Việc xác định năng lượng ion hóa diễn ra nhanh hay chậm đều phụ thuộc phần lớn vào các loại máy móc sử dụng. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tốc độ electron bị đẩy ra ngoài và độ phân giải thu nhận được.

Xác định năng lượng ion hóa bằng phương pháp photoemission là chủ yếu

Hiểu rõ năng lượng ion hóa sẽ giúp tạo lợi ích trong vấn đề nghiên cứu nguyên tử để áp dụng vào các ứng dụng hóa học, công nghiệp sản xuất. Hy vọng bài viết này hữu ích với bạn đọc khi tìm hiểu. Xem thêm nhiều chủ đề liên quan, bạn đọc hãy đồng hành cùng SIV Eco trong các bài viết tiếp theo.