电离能

在物理或化学科学中，从孤立的或惰性气体原子或分子的壳层中移去最松散束缚的电子所需的最小能量被称为原子或分子的电离能。这种能量实际上不是一种能量形式，而是指在化学反应或物理过程中所需的能量。电离能似乎与其他物理或化学研究的课题相同，但实际上，这个课题的重要性远不止于此。电离能对于许多物理和化学视角都非常有帮助，因为它有助于计算移去电子所需的精确能量。通过计算原子或分子的电离能，可以确定给定原子所参与的反应是放热反应还是吸热反应？它也有助于确定在给定的化学反应或物理过程中将释放或消耗的能量。下文将讨论与电离能和元素周期表中的电离能趋势相关的所有基本概念。

电离能简介

如前所述，电离能的基本定义是“从原子最外层电子层中移去最松散束缚电子所需的能量”。但这只是电离能的基本定义，实际上在实际应用中它比这更重要。事实上，可以为原子或分子中的每个电子计算电离能。以下是描述原子电离能的定量表达式：

A(g) + energy => A+(g) + e-

在上面的表达式中，使用了一些术语，解释如下：

• A(g) = 孤立的或中性的气态原子或分子
• 能量 = 原子或分子的电离能
• A⁺(g) = 释放电子后带正电的原子或分子
• e^- = 从原子最外层电子层中释放出的松散束缚的电子

我们可以使用此表达式计算原子的电离能，并且它也有助于确定反应或过程的性质。中性原子或电子的电离能总是正的，这意味着移去电子的反应将是吸热反应（反应过程中会消耗能量以产生副产物的反应类型）。因此，可以说原子核与最外层电子之间的距离越小，原子的电离能就越高。

• 电离势：“电离势”一词是较旧且已废弃的术语，以前用于表示原子的电离能。之所以使用此术语，是因为以前使用了一些旧的电离能测量方法（使用了电离样本和电子加速值），并从中得出了电离势一词。

电离能的表示

电离能是物理和化学中都使用的概念，但有趣的是，在两个领域中它用不同的度量单位表示。在物理学中，电离能用焦耳（J）或电子伏特（eV）表示；而在化学中，它表示为千焦/摩尔（KJ/mol）或千卡/摩尔（Kcal/mol），这意味着电离一摩尔原子或分子所需的总能量。

原子的N次电离能

原子的N次电离能通常是指从给定原子中移去第N个电子所需的总能量。它也可以定义为从带有“n-1”电荷的给定原子或分子中移去最松散束缚的电子所需的总能量。以下是一个用于理解给定“A(g)”原子前N次电离能的示例：

oA(g)原子的第一电离能：

A(g) + energy (IE 1st) => A+(g) + e-

oA(g)原子的第二电离能：

A+(g) + energy (IE 2nd) => A2+(g) + e-

oA(g)原子的第三电离能：

A2+(g) + energy (IE 3rd) => A3+(g) + e-

oA(g)原子的N次电离能：

A(n - 1)+(g) + energy (IE nth) => An+(g) + e-

同样有趣的是，第一电离能总是小于第二电离能，第二电离能总是小于第三电离能，依此类推。以下是原子电离能的递增顺序：

IE (1st) < IE (2nd) < IE (3rd) < .. < IE (nth)

影响电离能的因素

原子的电离能取决于许多因素，其中大多数对于定义从原子最外层电子层中移去最松散束缚的电子所需的能量至关重要。因此，研究这些因素变得更加重要，并且充分了解这些因素可以了解原子的N次电离能。所有影响原子电离能的因素都可以分为以下两类：

1. 主要影响因素
2. 次要影响因素

这两类都包含许多因素，取决于它们对原子电离能的影响程度，并且影响原子电离能的每个因素都属于这两类之一。

第一类：主要或影响最大的电离能因素

这类因素包括那些在很大程度上影响原子电离能的因素，或者可以说这些因素主要负责原子电离能的高低。这类因素包括许多常见的 the influencing factors，如原子上的电子电荷、原子核的稳定性、最外层电子的数量等等。以下是影响原子电离能最大程度的 most influencing factors 的详细解释：

1. 最外层电子的数量：原子最外层电子的数量对原子的电离能影响很大。如果最外层只有一两个电子，相对容易从原子中移去电子，因为它们与原子核的束缚非常松散。因此，如果最外层电子数量少，移去电子所需的电离能就少，反之亦然。
2. 原子上的有效核电荷：如果有效核电荷（Zeff）更大，则意味着最外层电子已经从原子中移去。原子的穿透和电子屏蔽越大，越容易从原子最外层电子层中移去电子。这是因为当原子的穿透和电子屏蔽幅度越大时，意味着电子在原子电子层中的束缚越不紧密。因此，原子的核电荷越高，移去最外层电子所需的电离能就越大，反之亦然。
3. 核电荷：核电荷的作用与原子的有效核电荷完全相反，因为核电荷越高，电子被原子电子层束缚得越紧。因此，如果原子的核电荷较高，则移去原子中的电子所需的电离能就越大，反之亦然。
4. 电子层数：原子中的电子层数是原子电离能的主要影响因素，与原子最外层电子的数量相同。原子中电子层数越多，最外层电子与原子核的束缚就越松散。大量的电子层增加了原子的尺寸，导致最外层电子与原子核之间的距离更大。并且，这将最终导致这两个实体之间的核吸引力减小，使得从原子最外层电子层中移去电子更加容易。因此，如果原子中有更多的电子层，则电离电子并将其从原子层中移去所需的电离能就越少。
5. 分子或原子的稳定性：这里的稳定性是指原子的电子构型有多稳定。如果电子构型更稳定，则意味着该原子的电子与原子核的束缚更紧密。因此，从具有更稳定电子构型的原子中移去电子将需要更多的电离能，反之亦然。
   这些都是原子电离能 most influencing factors，其中任何一个因素的变化都会在很大程度上改变原子的电离能。

第二类：次要的电离能影响因素

这类因素包括那些只在很小程度上影响原子电离能的因素，或者可以说这些因素不是导致原子电离能高低的主要原因，但这些因素的变化可能会导致原子电离能发生微小变化。这类因素包括电子的配对能、钪收缩、镧系和锕系收缩、相对论效应等。以下是仅在很小程度上影响原子电离能的 minor influencing factors 的详细解释：

1. 电子配对能：原子电子层中电子配对产生的能量称为电子配对能。通常，电子层完全填满或半满的原子具有较高的电子配对能，这会导致原子电离能值有所增加。因此，原子电子层中电子配对越高，从这种构型中移去电子所需的电离能就越高。
2. 镧系和锕系收缩：这种收缩效应出现在其各自行中遵循镧系和锕系原子的原子中。收缩效应基本上是原子电子层向原子核前所未有的收缩。因此，这些收缩效应也在增加原子电离能方面起着至关重要的作用，但由于这种效应并非在周期表的所有原子中都可见，因此该效应被归类为 minor influencing factors。显示镧系、锕系或钪收缩的原子电离能增加的主要原因是，原子最外层电子感受到的核电荷更多，使其与原子核束缚更紧密。
3. 相对论效应：“相对论效应”一词来源于量子力学，该术语最初起源于此。这种效应通常在较重的元素中可见，例如原子序数大于70的元素。因此，由于相对论效应，电子、较重元素或原子序数大于70的原子接近光速，这使得这些元素的原子半径比其他元素小。因此，显示相对论效应的原子电离能通常较高，因为它们的电子接近光速，这使得它们更难移去。
   这些是一些原子电离能的 minor influencing factors，并且所有原子的电离能都因为这些效应或因素而发生微小变化。这些效应可能会在很大程度上改变特定原子或一些原子的电离能，但由于这些效应的存在导致所有原子的电离能差异不大，因此这些效应被归类在此类因素中。

电离能：趋势和数值

一个普遍的趋势是，原子或分子的N+1次电离能值总是大于其N次电离能值。这种现象背后的主要原因非常简单。当一个电子从原子层中移去时，所有其他电子的有效核电荷会增加，这最终导致从同一原子或分子电子层中移去第二个电子需要更多的电离能（还应注意，阴离子的电离能通常低于阳离子，因为它们的有效核电荷不同）。当从较高的核电荷（Z^eff）中移去电子时，电子会受到更大的静电吸引力，使得电子更难移去，因此，电离该电子并将其从原子最外层电子层中拉出需要更多的能量。在这里起着至关重要作用的还有一点是，如果原子最外层电子层中的所有电子都被移去，则下一个电子将位于较低的电子层中。因此，现在较低层电子与原子核之间的距离减小，导致对电子的作用力比原子最外层电子层中的所有电子都要大。因此，当移去一个电子时，许多原子也会出现电离能的突然增加。

根据元素周期表的原子电离能趋势

在周期表中，从左到右或从上到下移动时，原子的电离能会呈现出普遍的趋势（增加或减少）。

通常，在周期表中从左到右移动时，电离能总是增加的。这意味着原子序数为2的原子比原子序数为1的原子具有更高的电离能。但是，在这种情况下存在许多例外情况，原因有很多。

导致这种趋势出现例外的最常见原因之一是稳定的电子构型（包括惰性气体）。由于惰性气体本质上是惰性的或不活泼的，因此需要非常高的电离能才能从原子最外层电子层中移去电子。惰性气体或元素的所有电子层都完全充满，因此它们对每个电子都具有更大的静电力。因此，惰性气体的电离能总是高于原子序数大于这些惰性气体的原子的电离能，这是非常普遍的。以下是造成此原因的一些常见例外情况：

• 锂 [Li] (IE) < 氦 [He] (IE)，
• 钠 [Na] (IE) < 氖 [Ne] (IE)，
• 钾 [K] (IE) < 氩 [Ar] (IE)，等等。

此外，与常见情况不同，惰性气体具有非常高的第一电离能，但第二电离能非常低。通常，我们看到的情况恰恰相反，即第二电离能大于第一电离能的元素。从惰性元素的电子层中移去第一个电子后，它们的电子构型变得不稳定，使得从这些惰性元素中移去第二个电子变得更容易。因此，在移去惰性元素的一个电子后，惰性元素变得高度活泼，并且难以阻止其与其他原子反应。以下是惰性气体元素中发现的此例外的说明：

• 氦 [第一电离能] >> 氦 [第二电离能]，
• 氖 [第一电离能] >> 氖 [第二电离能]，
• 氩 [第一电离能] >> 氩 [第二电离能]，等等。

该趋势出现例外的另一个常见原因是原子具有完全半满的电子层，这使其比后一个原子反应性更低。该原因例外的最佳例子是氧 [O] 和氮 [N]。如果遵循趋势，氧的电离能应该大于氮的电离能，但事实并非如此。实际上，氮的第一电离能高于氧的第一电离能。这唯一的根本原因在于氮完全半满的p轨道。由于这个完全半满的p轨道，氮对其电子施加了更大的静电力，因此需要更高的电离能来移去电子。而氧则不是这种情况，因此，与氮相比，从氧中移去第一个电子稍微容易一些。

沿组向下移动时电离能的趋势

另一个普遍的趋势是，沿同一族向下移动时，电离能逐渐减小。在沿周期表中的任何特定族向下移动时，都可以看到该族原子的N次电离能的降低。因此，通常可以看到钠 [Na] 的电离能高于钾 [K] 或周期表第一族的任何其他后续原子。这是因为当原子序数增加时，原子中的电子数量也增加，因此原子的尺寸也增加。原子尺寸的增加会增加该原子的原子半径，这意味着电子与原子核之间的距离将比同一族的前一个原子更大。最外层电子与原子核之间的距离增加将导致对最外层电子的静电力减小。当对原子最外层电子施加的静电力减小时，移去该电子所需的能量就越少，这在同一族的前一个原子的情况下更为普遍。而且，这种趋势很少出现例外。这是因为一个族的所有原子都遵循相同类型的电子构型，因此，只有原子的大小在这里起着决定原子稳定性的关键作用。

原子N次电离能的大幅跳跃

与N-1次电离能相比，所有原子在其N次电离能值都会突然出现大幅跳跃。例如，钠 [Na] 的第二电离能值（4560）远高于其第一电离能（496）。正如所见，一旦从最外层电子层中移去一个电子，钠的电离能突然增加了10倍。其他原子的情况也一样。例如，在镁 [Mg] 中，其第三电离能值远高于第二电离能。这种趋势的主要原因是，当一个原子失去一定数量的电子时，它通过获得惰性气体电子构型而变得更加稳定。例如，在钠的情况下，当它从最外层电子层失去一个电子时，它的电子构型变得非常类似于氖 [Ne] 的电子构型。因此，与第一电离能值相比，钠的第二电离能出现了突然上升。镁的情况也是如此；在失去两个最外层电子后，它也获得了氖的惰性电子构型。这种趋势在周期表中的每个原子中都很常见，它只取决于最外层电子的数量。

分子的电离能

分子的电离能也通过“从原子中移去电子所需的总能量”这一术语来定义。分子的电离能不遵循通常在原子电离能中看到的相同趋势。周期表中常见的趋势也不被分子的电离能所遵循。分子的电离能有两种类型，由以下两个术语定义：

1. 绝热电离能：从中性分子原子最外层电子层中移去电子所需的能量称为分子的绝热电离能。绝热电离能的值是通过找到分子的正离子振动基态与中性原子振动基态之间的差值来计算的。
2. 垂直电离能：当分子处于基态和激发态时，分子绝热电离能中观察到的跃迁称为分子的垂直电离能。分子电离能中的这种跃迁被称为“垂直”，因为它在分子的势能或电离能图上用完全垂直的线表示。分子电离能中的跃迁是由于其分子几何形状的可能变化。这些分子几何形状的变化是由于分子振动基态中的动态电离引起的。双原子分子（由两个相同原子结合形成的分子）的分子跃迁由它们之间的键长定义，如果它们之间存在单键。
   通常，分子的垂直电离能总是高于其绝热电离能，但在许多情况下，其绝热电离能高于垂直电离能。