כימיה לבגרות/אנרגיית יינון

אנרגית ינון

גרף אנרגיית היינון הראשונה והשניה ביסודות הראשונים בטבלה המחזורית. ניתן לראות שכל פעם שעולים רמת אנרגיה, אנרגיית היינון יורדת

אנרגיות היינון של בורון : ניתן לראות שכל הוצאה של אלקטרון דורשת יותר אנרגיה מהוצאת האלקטרון הקודם וכל פעם שמתחילים להוציא מרמת אנרגיה נמוכה יותר צריך להשקיע אנרגיה רבה יותר בצורה משמעותית

הזכרנו את פעולת היינון, כלומר היכולת להוציא או להוסיף אלקטרון לאטום ולהפוך אותו מאטום ניטרלי ליון. נשאלת השאלה אם האלקטרון הוא חלק מהאטום איך בכלל אפשר להוציא אותו או להוסיף אלקטרון אחר?

חוק קולון

על פי הפיזיקה יש קשר בין הכח המופעל על מטענים (נזכיר שוב שמטענים הפוכים מושכים אחד את השני ומטענים בעלי סימן זהה דוחים זה את זה) לבין המרחק ביניהם. הנוסחה המבטאת את הקשר נקראת חוק קולון והיא:

$F\sim {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}}$

• F הוא הכוח בין שני המטענים (במצב של אלקטרון בגרעין - בין הגרעין לאלקטרון)
• q₁ הוא המטען של הגרעין (התלוי בכמות הפרוטונים)
• q₂ הוא המטען של האלקטרון
• r הוא המרחק בין האלקטרון לגרעין

על פי הנוסחא קל לראות שככל שהאלקטרון יהיה יותר רחוק מהגרעין הכח בינו לגרעין יהיה חלש יותר.

אנרגיית יינון

כדי להוציא את האלקטרון מהאטום יש להרחיק את האלקטרון מהאטום עד שהכח החשמלי ביניהם יהיה חלש מכדי להחזיר את האלקטרון לאטום. כדי להרחיק את האלקטרון אנחנו צריכים להשקיע אנרגיה (על ידי עבודה) באלקטרון.

אמרנו שהאלקטרון הראשון שיוצא מהאטום הוא האחרון שנכנס, כלומר האלקטרון באטום שנמצא הכי רחוק מהגרעין, וראינו מחוק קולון שיש בין האלקטרון הזה לגרעין את הכח החשמלי החלש ביותר. לכן כדי להוציא אותו נצטרך להשקיע כמות אנרגיה קטנה יחסית. לכמות האנרגיה הזו אנחנו קוראים אנרגיית יינון כלומר האנרגיה הקטנה ביותר שצריך כדי להוציא אלקטרון מאטום.

לאנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון אחד מאטום ניטרלי קוראים אנרגיית יינון ראשונה. לאנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון שני קוראים אנרגיית יינון שנייה. ככל שנוציא יותר אלקטרונים מהאטום נצטרך יותר אנרגיה כדי להוציא אלקטרון נוסף. וכאשר נוציא את כל האלקטרונים מרמת הערכיות ונרצה להוציא אלקטרונים מרמת האנרגיה הנמוכה יותר נצטרך להשקיע אנרגיה רבה יותר.

תרגיל 1: למי יש אנרגיית יינון ראשונה גבוהה יותר ל$_{11}Na$ או ל$_{3}Li$?
$_{3}Li$ בעל אנרגיית יינון גבוהה יותר מכיוון שהאלקטרון שאנחנו מוציאים נמצא ברמת האנרגיה השנייה וב$_{11}Na$ האלקטרון שמוציאים נמצא ברמת האנרגיה השלישית

תרגיל 2: למי יש אנרגיית יינון הראשונה גבוהה יותר ל $_{11}Na$ או ל$_{12}Mg^{+}$?
אנרגיית היינון הראשונה של $_{12}Mg^{+}$ גבוהה יותר. כפי שלמדנו בגלל שהגרעין של $_{12}Mg^{+}$ גדול יותר הרדיוס האטומי שלו קטן יותר מאשר הרדיוס האטומי של $_{11}Na$. ומחוק קולון רואים שככל שהרדיוס האטומי קטן יותר הכח החשמלי גדול יותר וצריך יותר אנרגיה על מנת להוציא אלקטרון

ניתוח גרף אנרגיות יינון

על פי מה שלמדנו בפרק תוכלו להסיק מגרף אנרגיות יינון פשוט את היסוד שעליו נבנה הגרף. מספר היינונים (כלומר האלקטרונים שהוצאו מהאטום) לפני מעבר לרמה נמוכה יותר יאמר לכם את כמות האלקטרונים ברמת הערכיות. ואם יתנו לכם אנרגיות היינון של כל האלקטרונים תוכלו לדעת את היסוד על פי ספירה של האלקטרונים.

אם לא נותנים את כל האלקטרונים אפשר להשוות את אנרגיית היינון הראשונה של היסוד המבוקש לאנרגיות יינון ראשונות של יסודות מרמות אנרגיה שונות ואם האנרגיות קרובות מדובר ביסוד עם אותה רמת ערכיות.

תרגיל 3: איזה יסוד מופיע בגרף?
מספר מדרגות (או מספר הקווים עליהם יש נקודות) הוא 3 - כלומר יש 3 רמות אנרגיה. ממלאים את השורות ע"פ הנקודות עליהם יש.X 2, 8, 4 - זוהי היערכות האלקטרונים באטום חישוב מספר האלקטרונים לגילוי מספר אטומי. 2+8+4 = 14 בדיקה בטבלה המחזורית מהו יסוד בעל מספר אטומי 14. יסוד מספר ה-14 הוא צורן (סיליקון)

---

רקע

כאמור, האטום בנוי מאלקטרונים הנמשכים בקשר חשמלי אל הגרעין. ניתן לפרק את הקשר בין האלקטרונים לגרעין. על מנת לפרק קשר זה, יש צורך להשקיע אנרגיה (אנרגית יינון).

האנרגיה אותה נרצה להשקיע על מנת להפריד את האלטרונים מהגרעין, תבוא עקב התנגשות של אטום אחר באטום, או, על ידי קרינה כלשהי.

הסבר

אנרגיית יינון היא האנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון. אנרגית הוצאת אלקטרון ראשון קרויה אנרגית יינון ראשונה, אנרגית הוצאת אלקטרון שני נקראת אנרגיית יינון שנייה וכו'. ככל שאנו מוצאים יותר אלקטרונים, כך, קשה יותר להוציא את הנותרים, עקב שתי סיבות (מסודרות מהחשוב ביותר) :

1. המרחק הקטן (ולכן הפרוטונים והאלקטרונים קשורים חזק יותר) - ככל שיש פחות רמות, כך יהיה קשה יותר להוציא אלקטרון.
2. גדילת הפרוטונים הקשורים לאלקטרונים, כלומר, אם מטען הגרעין (המספר האטום) קטן אז מספר הפרוטונים נמוך ולהיפך - ככל שמספר האטומי (מטען) גדול יותר, כך יהיה יותר קשה להוציא את האלקטרון. מכאן מסקים כי, אנרגית הינון של יון חיובי (נתן אלקטרון, יש יותר פרוטונים) גבוהה מאנרגיית היינון של אותו יסוד. לדוגמא: H⁺>H.

טבלה מחזורית

לרוב :

• ככל שאנו יורדים בטבלה המחזורית, כך, אנרגיית היינון יורדת.
• ככל שאנו ממשיכים ימינה היא עולה.

שאלות לדוגמא

למי מהאטומים הבאים יש אנרגית יינון ראשונה גדולה יותר? ולמי מהאטומים יש אנרגיית יינון שנייה גדולה יותר (כלומר לאחר הוצאת אלקטרון)? Na או Li?

הסבר לפיתרון - סעיף א'

• סדרו את רמות היינון של שני האטומים על פי המערכה המחזורית (כולל רשימת המטען).
• ל-Li יש מטען 3 (מספרו בטבלה המחזורית) ושתי רמות (שורה בטבלה).
• ל- Na יש מטען 11 ושלוש רמות יינון.

לפי הנתונים אנו רואים כי המרחק שלהם שונה (רמות), ולכן, אין לנו סיבה לבדיקת המטען; אנחנו יכולים מיד להסיק את התשובה כי אנרגית היינון של האטום Li גדולה יותר מזו של Na.

פיתרון : (E₁(Na) < E₁(Li

הסבר לפיתרון - סעיף ב'

• מילאו רמות יינון של שני האטומים ורשימת המטען שלהם.
• ל- Li יש מטען 2 (מספרו בטבלה המחזורית) ושתי רמות (שורה בטבלה)
• ל- Na יש מטען 10 ושלוש רמות יינון.

שוב, כיוון שאנו כבר רואים שרמת היינון שונה אין לנו צורך לבדוק את המטען.

פיתרון : (E₂(Na) < E₂(Li

סידור האלקטרונים באטום לפי אנרגיית יינון

גרף מופשט ; שורות 1-3. על פי הגרף ניתן לראות : # אנרגית היינון גדלה ככל שעולים בשורה. # אנרגיית היינון יורדת במעבר אל השורה הבאה. כלומר, ביסודות H (מספר אטומי 1) ו-He (מספר אטומי 2) עולה הגרף, ואילו מ – He ל-Li , כאשר אנו יורדים במערכה המחזורית שורה, הגרף יורד גם הוא.

בדרך כלל כך מופיעים הגרפים בבגרות

אנרגיית ינון של בורון : # הקפיצה בין רמת אנרגיית ראשונה לרמה שנייה גדלה. כלומר, אם נקבל רשימה של אנרגיות יינון ראשונה, שנייה ועוד, אנו נוכל לדעת את הסדר האלקטרוני של היסוד (בדרך כלל אלו סוגי השאלות בבגרות). # כאשר נראה קפיצה גדולה (של אלף ומעלה) נדע כי עלינו רמה (= שורה) ולפי מספר אנרגיות היינון הנתונות עד לקפיצה יהיה מספר האלקטרונים בשורה האחרונה.

סידור אלקטרוני על פי גרף

כיתוב תמונה

כפי שניתן לראות בגרפים :

1. מספר המדרגות מתאר את מספר השורות של היסוד.
2. הגרף הולך מימין לשמאל, כאשר המדרגה הקרובה לנקודת המוצא, מתארת את השורה האחרונה ברמת אנרגיית היינון (ה"טור"). דרך קלה לזכור רת סדר הגרף היא בעזרת מדרגות, ככל שעולים כך יותר קשה, ולכן, האטום יהיה קרוב יותר לגרעין.
3. מספר העיגולים מבטא את מספר הרמה בכל אחת מהשורות.

דוגמא

מהו היסוד?

איזה יסוד מופיע בגרף?

1. מספר מדרגות (או מספר הקווים עליהם יש נקודות) הוא 3.
2. ממלאים את השורות ע"פ הנקודות עליהם יש.X 2, 8, 4
3. חישוב מסר האטומים לגילוי מספר אטומי. 2+8+4 = 14
4. בדיקה בטבלה המחזורית מהו יסוד 14. יסוד מספר ה-14 הוא Si

שאלות נוספות בסגנון זה שנשאלות בבגרות, הם שאלות העוסקות בתכונות של הטורים. כלומר, מתוך הגרף ניתן לגלות רק את הטור בו נמצא היסוד.