3.3.3. Энергия ионизации.

Энергия ионизации - это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома или иона данного элемента. Различают первую, вторую, третью и т.д. энергии ионизации, соответствующие удалению первого, второго, третьего и т.д. электрона атомной частицы. Энергию ионизации обозначают символом I_n (n = 1,2,3...) и выражают в эВ/атом или в кДж/моль. Напомним, что 1 эВ  1,6021910^-19 Дж; в расчете на 1 моль атомов это составляет 96,486 кДж/моль.

Энергия ионизации является сложной функцией ряда характеристик атома. Повышению энергии ионизации способствует увеличение эффективного заряда ядра, наличие в атоме полностью или наполовину заполненных валентными электронами энергетических подуровней, уменьшение радиуса атома, формирование экранов, усиливающих проникновение валентных электронов к ядру.

В периодах, как было показано выше, с увеличением порядкового номера элемента эффективный заряд ядер растет, а атомные радиусы уменьшаются, следовательно, в периодах энергия ионизации должна проявлять тенденцию к увеличению, однако меняющиеся электронные структуры атомов будут нарушать монотонность изменения этого свойства. Этот вывод хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, для элементов II периода (табл. 4) тенденция к возрастанию первой энергии ионизации очевидна: для лития значение I₁ равно 5,39 эВ/атом, а для неона 21,56 эВ/атом. Однако монотонность изменения свойства нарушается при переходе от бериллия к бору и от азота к кислороду. Это явление связано с появлением заполненного 2s-подуровня у бериллия (1s²2s²) и наполовину заполненного 2р-подуровня у азота (1s²2s²2p³); эти структуры отличаются повышенной устойчивостью, что затрудняет отрыв электрона от атомов бериллия и азота. В результате в ряду р-элементов II периода проявляется внутренняя периодичность.

В больших периодах периодической системы также наблюдается тенденция к увеличению энергии ионизации. В качестве примера в табл. 5 сопоставлены энергии ионизации I₁ и I₃ для элементов IV периода. Как следует из табл. 5, значения I₁ в IV периоде изменяются от 4,34 эВ/атом у калия до 14 эВ/атом у криптона. Нарушение монотонности, наблюдаемое при переходе от цинка к галлию и от мышьяка к селену, связано с появлением у цинка и мышьяка устойчивых структур 3d¹⁰ и 4p³, соответственно. В ряду d-элементов, однако, не проявляется внутренняя периодичность: по ряду Cr-Mn-Fe энергия ионизации монотонно увеличивается, хотя у марганца сформирована устойчивая конфигурация 3d⁵. Это явление можно объяснить тем, что все d-элементы IV периода имеют сходные конфигурации внешнего электронного слоя - 4s² или, в случае провала электрона - 4s¹. В результате все эти элементы теряют первый электрон с энергетического подуровня 4s независимо от числа электронов на 3d-подуровне. Совершенно иная картина наблюдается, если сопоставить третьи энергии ионизации рассматриваемых d-элементов, отвечающие потере одного или двух электронов с 3d-подуровня. Значение I₃ марганца больше соответствующих характеристик для хрома и железа, и в ряду d-элементов отчетливо проявляется внутренняя периодичность.

В А-подгруппах периодической системы сверху вниз увеличиваются атомные радиусы элементов, откуда можно ожидать, что энергии ионизации в А-подгруппах будут уменьшаться, хотя возможность вторичной периодичности для данного свойства не исключается. Действительно, для элементов подгруппы VIA значения первой энергии ионизации монотонно уменьшаются, а в IVA-подгруппе I₁ убывает от углерода к кремнию, незначительно понижается при переходе от кремния к германию, заметно уменьшается у олова и несколько увеличивается у свинца (табл. 6). Вторичная периодичность для первой энергии ионизации в подгруппе обусловлена теми же причинами, что и немонотонность изменения атомных радиусов в этой группе.

Для подгрупп d-элементов изменение энергии ионизации носит более сложный характер. В связи с лантаноидной контракцией, приводящей к уменьшению атомных радиусов элементов VI периода, и сформированным у этих элементов 4f-экраном у третьих элементов В-подгрупп наблюдается значительное увеличение энергии ионизации. В качестве примера в табл. 7 рассмотрены изменения I₁ для подгрупп IB и IVB; как следует из приведенных данных значения энергии ионизации для первого и второго элементов подгрупп близки, а для третьего - возрастают.