انرژی‌های یونش متوالی؛ جهش نمودار چگونه تعداد الکترون‌های ظرفیتی را نشان می‌دهد؟

انرژی یونش را برای ذره گازی و جداکردن یک الکترون تعریف کن

انرژی یونش اول، کمترین انرژی لازم برای جداکردن یک مول الکترون از یک مول اتم گازی در حالت پایه است. نمایش ذره‌ای آن X(g) → X⁺(g) + e⁻ است. قید گازی اهمیت دارد، زیرا در جامد یا محلول، نیروهای میان ذره‌ای و فرایندهای دیگری نیز در انرژی اندازه‌گیری‌شده سهم دارند. انرژی یونش معمولاً با واحد kJ·mol⁻¹ گزارش می‌شود و چون برای غلبه بر جاذبه هسته انرژی دریافت می‌شود، کمیتی مثبت است.

انرژی یونش اول را با الکترون‌خواهی اشتباه نگیر. در یونش، الکترون از گونه جدا می‌شود؛ در الکترون‌خواهی، تغییر انرژی هنگام افزوده‌شدن الکترون به اتم گازی بررسی می‌شود. همچنین انرژی یونش به جداکردن الکترون مربوط است، نه کندن پروتون از هسته و نه شکستن یک پیوند در مولکول.

• گونه آغازین در تعریف استاندارد، گازی است
• I₁ جداکردن نخستین الکترون از اتم خنثی را توصیف می‌کند
• انرژی یونش با واحد انرژی بر مول بیان می‌شود
• یونش، الکترون‌خواهی و انرژی پیوند سه مفهوم متفاوت‌اند

در یونش‌های متوالی، الکترون‌ها را از همان ذره یکی‌یکی جدا می‌کنیم

پس از یونش اول، ذره X⁺ باقی می‌ماند. انرژی یونش دوم برای واکنش X⁺(g) → X²⁺(g) + e⁻ و انرژی یونش سوم برای X²⁺(g) → X³⁺(g) + e⁻ تعریف می‌شود. به صورت کلی، در یونش nام یک الکترون از یون با بار (n−1)+ جدا می‌شود؛ بنابراین هر مرحله از فرآورده مرحله پیشین آغاز می‌شود.

این تعریف جلوی یک خطای رایج را می‌گیرد: I₂ انرژی جداکردن دو الکترون به طور هم‌زمان نیست. برای تبدیل یک مول X(g) به یک مول X²⁺(g)، در مدل مرحله‌ای باید انرژی‌های دو گام را جمع کنیم؛ یعنی انرژی کل برابر I₁ + I₂ است. خود I₂ فقط به گام دوم مربوط می‌شود.

• I₁: اتم خنثی به یون ۱+ تبدیل می‌شود
• I₂: یون ۱+ به یون ۲+ تبدیل می‌شود
• I₃: یون ۲+ به یون ۳+ تبدیل می‌شود
• برای جداکردن چند الکترون، انرژی مراحل مربوط را با هم جمع کن

چرا انرژی‌های یونش پیاپی همواره افزایش می‌یابند؟

پس از جداشدن هر الکترون، شمار پروتون‌های هسته ثابت می‌ماند اما تعداد الکترون‌ها کمتر و بار مثبت یون بیشتر می‌شود. در نتیجه دافعه و پوششی میان الکترون‌ها کاهش می‌یابد و الکترون‌های باقی‌مانده، به طور کلی، جاذبه مؤثرتری از هسته احساس می‌کنند. جداکردن الکترون بعدی از چنین یونی دشوارتر است؛ ازاین‌رو برای یک عنصر داریم I₁ < I₂ < I₃ و این روند افزایشی ادامه پیدا می‌کند.

هر افزایش کوچکی را جهش اصلی ننام. حتی جداکردن چند الکترون از یک زیرلایه یا لایه ظرفیت نیز انرژی‌های یکسانی نمی‌خواهد و مقادیر مرحله‌به‌مرحله بالا می‌روند. جهش مورد توجه زمانی است که پس از خروج همه الکترون‌های ظرفیتی، باید الکترونی از لایه درونی‌تر، نزدیک‌تر به هسته و کم‌پوشش‌تر جدا شود؛ در این نقطه افزایش انرژی بسیار بزرگ‌تر از افزایش‌های پیشین است.

• بار هسته در همه مراحل ثابت است
• یون مثبت‌تر، الکترون بعدی را محکم‌تر نگه می‌دارد
• انرژی‌های متوالی افزایش می‌یابند
• جهش اصلی را از افزایش عادی میان مراحل جدا کن

جای جهش بزرگ، شمار الکترون‌های ظرفیتی را نشان می‌دهد

فرض کن انرژی‌ها تا I₂ افزایش نسبتاً پیوسته‌ای دارند، اما I₃ چند برابر I₂ است. دو الکترون نخست از لایه ظرفیت جدا شده‌اند و برای الکترون سوم باید به لایه درونی وارد شویم؛ پس اتم دو الکترون ظرفیتی داشته است. به زبان عمومی، اگر جهش بزرگ میان Iₙ و Iₙ₊₁ دیده شود، پیش از جهش n الکترون جدا شده و عنصر n الکترون ظرفیتی دارد.

برای عناصر اصلی، تعداد الکترون‌های ظرفیتی معمولاً با گروه جدول پیوند مستقیم دارد: یک و دو الکترون ظرفیتی به گروه‌های ۱ و ۲ مربوط‌اند و سه تا هشت الکترون ظرفیتی در بلوک p به‌ترتیب با گروه‌های ۱۳ تا ۱۸ سازگارند. بااین‌حال داده یونش به‌تنهایی شماره دوره یا هویت قطعی عنصر را تعیین نمی‌کند؛ چند عنصر هم‌گروه می‌توانند الگوی جهش مشابه داشته باشند.

• جهش I₁ به I₂: یک الکترون ظرفیتی
• جهش I₂ به I₃: دو الکترون ظرفیتی
• جهش I₃ به I₄: سه الکترون ظرفیتی
• برای تعیین عنصر دقیق، به داده‌هایی مانند دوره یا عدد اتمی نیز نیاز است

جدول عددی و نمودار را با نسبت‌ها بخوان، نه فقط اختلاف ظاهری

در یک جدول، نخست انرژی‌ها را به ترتیب I₁، I₂، I₃ و مانند آن مرتب کن. سپس نسبت هر مقدار به مقدار قبلی را به طور تقریبی بسنج. اگر داده‌ها برای نمونه 740، 1450، 7700 و 10500 kJ·mol⁻¹ باشند، افزایش I₁ به I₂ کمتر از دو برابر است، اما I₃ نسبت به I₂ بیش از پنج برابر شده است؛ پس جهش اصلی میان مرحله دوم و سوم قرار دارد. لازم نیست نسبت‌ها همیشه عدد صحیح یا یک ضریب ثابت باشند.

در نمودار، محور افقی معمولاً شماره الکترون جداشده یا شماره یونش و محور عمودی انرژی یونش است. یک پله بسیار بلند یا تغییر شیب آشکار، مرز ورود به لایه درونی را نشان می‌دهد. اگر محور عمودی لگاریتمی باشد، فاصله‌های تصویری معنای متفاوتی دارند؛ پس پیش از نتیجه‌گیری، عنوان محور و مقیاس آن را بخوان. همچنین صفرشدن یا کاهش انرژی در نمودار درست انرژی‌های یونش متوالی با تعریف معمول انتظار نمی‌رود.

• شماره مرحله‌ها را پیش از مقایسه کنترل کن
• برای یافتن جهش، نسبت‌های پیاپی راهنمای خوبی‌اند
• بزرگ‌ترین اختلاف عددی همیشه بدون توجه به مقیاس کافی نیست
• عنوان و مقیاس هر دو محور نمودار را بخوان

جهش متوالی را با روند انرژی یونش اول در جدول تناوبی یکی ندان

وقتی انرژی یونش اول چند عنصر متفاوت را مقایسه می‌کنیم، بار مؤثر هسته، شعاع اتمی، پوششی و آرایش زیرلایه‌ای همگی اهمیت دارند. روند کلی در یک دوره افزایش و در یک گروه کاهش است، اما آرایش‌های نیمه‌پر یا پر و تفاوت انرژی زیرلایه‌ها می‌توانند استثناهایی بسازند. این مقایسه افقی یا عمودی میان چند عنصر است.

در انرژی‌های یونش متوالی، همه عددها به یک عنصر تعلق دارند و بار ذره پس از هر مرحله بیشتر می‌شود. جهش بزرگ در این مجموعه مرز میان لایه‌های الکترونی را نشان می‌دهد. بنابراین از وجود استثنا در روند I₁ عنصرهای یک دوره نتیجه نگیر که انرژی یونش دوم همان عنصر می‌تواند از اول کمتر باشد؛ برای یک عنصر معین، I₂ همواره از I₁ بزرگ‌تر است.

مثال حل‌شده: از داده‌های یونش، گروه احتمالی را پیدا کن

برای عنصر فرضی A داده‌های I₁ = 580، I₂ = 1820، I₃ = 2750، I₄ = 11600 و I₅ = 14800 kJ·mol⁻¹ داده شده است. سه مقدار نخست افزایش دارند، اما نسبت I₄ به I₃ حدود 4.2 است و از افزایش‌های قبلی بسیار بزرگ‌تر به نظر می‌رسد. پس جهش اصلی میان I₃ و I₄ رخ داده و سه الکترون پیش از ورود به لایه درونی جدا شده‌اند.

نتیجه می‌گیریم A سه الکترون ظرفیتی دارد و اگر عنصر اصلی باشد، قرارگرفتن آن در گروه ۱۳ محتمل است. با این داده‌ها نمی‌توان به‌تنهایی گفت A دقیقاً کدام عنصر یا در کدام دوره است. اگر سؤال بپرسد انرژی لازم برای تبدیل یک مول A(g) به A³⁺(g) چقدر است، باید سه مرحله نخست را جمع کنیم: 580 + 1820 + 2750 = 5150 kJ·mol⁻¹؛ I₄ در این تبدیل مصرف نمی‌شود.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: انرژی‌های یونش متوالی عنصر فرضی B برابر 900، 1760، 14800 و 21000 kJ·mol⁻¹ است. جهش اصلی میان کدام دو مرحله قرار دارد و B چند الکترون ظرفیتی دارد؟ نسبت I₃ به I₂ حدود 8.4 است و از تغییر مرحله نخست به دوم بسیار بزرگ‌تر است؛ بنابراین جهش میان I₂ و I₃ رخ می‌دهد و اتم دو الکترون ظرفیتی دارد. اگر B عنصر اصلی باشد، این الگو با گروه ۲ سازگار است.

برای حل مطمئن، ابتدا مطمئن شو همه داده‌ها متعلق به یونش‌های متوالی یک عنصرند؛ سپس افزایش‌های عادی را از بزرگ‌ترین تغییر نسبی جدا کن، تعداد مراحل پیش از جهش را بشمار و همان را تعداد الکترون‌های ظرفیتی بگیر. برای عناصر واسطه، الکترون‌های زیرلایه‌های نزدیک به هم و حالت‌های اکسایش گوناگون می‌توانند الگو را پیچیده‌تر کنند؛ پس میان‌بر تعیین گروه را بدون قید «عنصر اصلی» به همه عناصر تعمیم نده.

• Iₙ واکنش جداشدن فقط الکترون nام است
• برای ساخت یون n+، انرژی‌های I₁ تا Iₙ را جمع کن
• جهش میان Iₙ و Iₙ₊₁ یعنی n الکترون ظرفیتی پیش از ورود به لایه درونی جدا شده است
• نتیجه گروه را برای عناصر اصلی با آرایش الکترونی کنترل کن
• از داده جهش به‌تنهایی دوره و هویت قطعی عنصر به دست نمی‌آید
• در نمودار، مقیاس محور انرژی را نادیده نگیر