Energía de ionización

Este es un concepto de gran relevancia para el enlace químico y está rigurosamente determinado por método experimentales. El potencial de ionización o energía de ionización se define como:

“La energía mínima necesaria para eliminar un electrón de un átomo cuando este se encuentra en su estado de mínima energía (0K)”. Dejando al ion y al electrón con una energía cinética cero.

Atomo + Potencial de Ionización = Catión + 1e-

Si se grafica el potencial de ionización contra el número atómico se observa que los picos más altos son para los gases nobles seguidos por los halógenos y los elementos del grupo VI. El menor potencial de ionización es para los metales alcalinos seguidos por los alcalinotérreos y los elementos del grupo IIIA. Es interesante observar que hay una fuerte relación entre el tamaño del átomos y el potencial de ionización .
El aumento en el potencial de ionización de los metales alcalinos a los gases nobles, se debe al aumento progresivo de la carga nuclear efectiva.

CARGA NUCLEAR EFECTIVA (Z*)

La carga nuclear efectiva es un concepto introducido en los comienzos de la mecánica cuántica y se refiere a la fuerza de atracción real que ejerce el núcleo sobre el último electrón, es decir, que la carga que hay en el núcleo es apantallada por los electrones internos que impide “ver” al núcleo su electrón de valencia.

Con el fin de calcular el efecto “pantalla” y deducir cual es la carga nuclear efectiva, Slater a propuesto un conjunto de reglas empíricas que dan buenos resultados:

1. Escriba la configuración electrónica del átomo en el siguiente orden y agrupamiento (1s) (2s,2p) (3s, 3p) (3d) (4s,4p) (4d)..............

2. Los electrones de cualquier grupo que estén a la derecha de (ns,np) no contribuyen a la constante de apantallamiento.

3. Cada uno de los electrones del grupo (ns,np) ejerce un efecto pantalla sobre el electrón de valencia de 0.35

4. Cada uno de los electrones de la capa n-1 ejerce un efecto pantalla de 0.85

5. Todos los electrones de la capa n-2 o capas inferiores ejerce un efecto de 1.00

6. Todos los electrones o grupos que se encuentren a la izquierda del grupo nd o nf contribuyen en una magnitud de 1.00.

Los siguientes valores de la carga nuclear efectiva experimentada por los elementos del segundo período con electrones ns y np, revela que entre mayor sea la carga nuclear efectiva mayor es el potencial de ionización. Ver la tabla.

El potencial de ionización de los elementos del bloque “d” varía más suavemente con el número atómico que aquellos del bloque “p” y esto se debe al mayor apantallamiento de la carga nuclear sobre los electrones de valencia.
La gráfica del potencial de ionización contra número atómico muestra pequeñas fluctuaciones dentro de un mismo período; esto se explica al detallar el llenado de los orbitales atómicos por electrones. Por ejemplo, el hecho de que el Boro tenga menor potencial de ionización que le Be es porque el Be tiene lleno su orbital “s” y el B empieza a llenar el orbital 2p que es de mayor energía
Primer potencial de ionización (experimental) y diámetro atómico (Calculado para átomos libres por el método del campo autoconsistente de la mecánica cuántica) graficado contra el número atómico. Los metales alcalinos (al principio de cada periodo)tienen los átomos más grandes y son fácilmente ionizados. Los gases nobles inmediatamente los preceden ellos tienen su nivel de energía completo, tienen el mínimo tamaño del periodo y el máximo potencial de ionización.
Por otro lado el nitrógeno tiene mayor P.I: que el oxígeno, porque cumple con el Principio de Máxima Multiplicidad lo mismo que el Ne o cualquier gas noble. La eliminación de más de un electrón de un átomo requiere de mayor energía en virtud de que ahora le están sacando electrones a átomos cargados ya positivamente.
Los potenciales de ionización son obtenidos experimentalmente por Espectros de Emisión Atómica, Espectroscopia de masas y Espectroscopia electrónica para el análisis químico que es una extensión del efecto fotoeléctrico para átomos o moléculas.
En general el potencial de ionización aumenta de izquierda a derecha a lo largo de un período y disminuye de arriba hacia abajo a través de un grupo, las pequeñas fluctuaciones dentro de un período se explican por el llenado de los orbitales atómicos. Así, podemos concluir que el potencial de ionización es inversamente proporcional a la carga nuclear efectiva e inversamente proporcional al radio atómico. Ver las tablas de potenciales de ionización.