Мы уже знаем, что электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях. Чтобы перевести атом в ион, нужно либо оторвать от него электрон, либо присоединить к нему лишний электрон. Оба процесса описываются числами, с которыми работают все — от спектроскопистов до геохимиков.

1. Потенциал ионизации

Потенциал (энергия) ионизации (I) — минимальная энергия, которую нужно затратить, чтобы оторвать электрон от нейтрального атома в основном состоянии:

Э → Э+ + e−, ΔE = I

Для многоэлектронных атомов есть несколько ступеней ионизации. Первый потенциал I1 отвечает отрыву самого внешнего электрона, второй I2 — следующего, и так далее:

I1 < I2 < I3 < …

Единицы измерения: эВ (электронвольты) или кДж/моль. Пересчёт: 1 эВ = 96,485 кДж/моль.

Физический смысл: первый потенциал ионизации численно равен энергии внешнего электрона, взятой с обратным знаком. Если энергия электрона равна −13,6 эВ, то для его отрыва нужно затратить +13,6 эВ.

Как меняется I в таблице Менделеева

  • По периоду слева направо — растёт. Ядро усиливается, радиус уменьшается, электрон держится крепче.
  • По группе сверху вниз — падает. Радиус растёт, внешний электрон всё дальше от ядра.
  • Благородные газы — максимум в своём периоде (He, Ne, Ar — самые «упрямые»).
  • Щелочные металлы — минимум в своём периоде (Li, Na, K — легко расстаются с электроном).

2. Сродство к электрону

Сродство к электрону (E) — изменение энергии при присоединении электрона к нейтральному атому:

Э + e− → Э−, ΔE = E

В отличие от потенциала ионизации, сродство чаще отрицательно (энергия выделяется). Хотя есть исключения — например, у благородных газов сродство к электрону фактически нулевое: им лишний электрон не нужен.

Запомните: из справочника берут значение E как отрицательное число (например, E(Cl) = −3,62 эВ). А вот если в задаче требуется «потенциал ионизации аниона» I(Cl−), это то же самое число, но с обратным знаком: I(Cl−) = +3,62 эВ. И наоборот: E(Cl−) = −I(Cl).

3. Электроотрицательность

Электроотрицательность (χ, ЭО) — мера способности атома в соединении смещать к себе общие электронные пары. Это не самостоятельная физическая величина, а комбинация I и E: атом с большим I и большим |E| имеет большую χ.

По шкале Полинга самый электроотрицательный элемент — фтор (χ = 4,0). Далее кислород (3,5), хлор и азот (3,0), углерод (2,5), водород (2,1). Металлы имеют низкие значения, неметаллы — высокие.

4. Энергетические диаграммы

Энергетическая диаграмма — это способ визуально показать, какие состояния системы существуют и как они расположены по энергии. Используется для решения задач вида «найти изменение энергии в реакции» или «построить цикл Борна – Габера».

Правила построения

  1. Сохранение заряда: суммарный заряд слева и справа одинаковый.
  2. Сохранение вещества: число атомов каждого элемента слева и справа одинаковое.
  3. Уровни рисуем горизонтальными линиями, рядом указываем состав системы (например, «O₂», «O + O», «O⁺ + O⁻»).
  4. Стрелки — это процессы, подписанные значениями энергий (I, E, D и т.д.). Вверх — затрата энергии, вниз — выделение.

Пример 1. Реакция 2Li + Br2 → 2Li+ + 2Br−

Реакция складывается из трёх стадий:

1) Диссоциация молекулы брома (энергия затрачивается):

Br2 → 2Br, D(Br2) = +1,97 эВ

2) Ионизация двух атомов лития (энергия затрачивается):

2Li → 2Li+ + 2e−, 2·I(Li) = 2·5,39 = +10,78 эВ

3) Присоединение электронов к брому (энергия выделяется):

2Br + 2e− → 2Br−, 2·E(Br) = 2·(−3,37) = −6,74 эВ

Суммарное изменение энергии:

ΔE = 1,97 + 10,78 − 6,74 = +6,01 эВ

Реакция эндотермическая: чтобы её провести, нужно затратить 6,01 эВ.

E, эВ 2Li + Br₂ 2Li + 2Br D = +1,97 2Li⁺ + 2Br + 2e⁻ 2·I(Li) = +10,78 2Li⁺ + 2Br⁻ 2·E(Br) = −6,74 ΔE = +6,01 эВ
Энергетическая диаграмма реакции 2Li + Br2. Стрелка вверх — затрата энергии, вниз — выделение. Итог: реакция эндотермическая, ΔE = +6,01 эВ.

Пример 2. Реакция O2 → O+ + O−

Реакция идёт через три стадии:

1) Диссоциация O2: D(O2) = +5,10 эВ

2) Ионизация одного атома O: I(O) = +13,61 эВ

3) Присоединение электрона к другому атому O: E(O) = −1,47 эВ

Суммарное изменение энергии:

ΔE = 5,10 + 13,61 − 1,47 = +17,24 эВ

E, эВ O₂ O + O D = +5,10 O⁺ + O + e⁻ I(O) = +13,61 O⁺ + O⁻ E(O) = −1,47 ΔE = +17,24 эВ
Энергетическая диаграмма реакции O2 → O+ + O−. Итоговое изменение энергии: ΔE = +17,24 эВ.

Пример 3. Диссоциация иона SO+

Известны: D(SO) = 5,36 эВ, I(SO) = 12,11 эВ, I(S) = 10,36 эВ, I(O) = 13,62 эВ. Определим, по какому пути идёт диссоциация: SO+ → S+ + O или SO+ → S + O+.

Оба пути имеют общие стадии (ионизация SO и диссоциация), отличаются только тем, какой атом повторно ионизируется.

Путь (а) — ионизируется S:

ΔE(а) = 5,36 + 10,36 − 12,11 = +3,61 эВ

Путь (б) — ионизируется O:

ΔE(б) = 5,36 + 13,62 − 12,11 = +6,87 эВ

Путь (а) энергетически выгоднее: I(S) < I(O), поэтому легче повторно ионизировать серу.

E, эВ SO S + O D = +5,36 SO⁺ + e⁻ I(SO) = +12,11 S⁺ + O (а) −12,11 +10,36 ΔE = +3,61 эВ S + O⁺ (б) −12,11 +13,62 ΔE = +6,87 эВ
Два возможных пути диссоциации SO+. Путь (а) — ионизация серы — энергетически выгоднее (меньше затрат).
Универсальный приём: если нужно найти энергию диссоциации иона или молекулы, для которой нет табличного значения, — выразите её через известные величины (I, E, D) и постройте цикл. Это основа метода циклов, который вы будете использовать дальше для расчёта энергии кристаллических решёток.

5. Как работать с задачами

Алгоритм для любой задачи на энергетические диаграммы:

  1. Записать реакцию и определить начальное и конечное состояния.
  2. Разбить реакцию на стадии, энергии которых известны из справочника (или даны в условии).
  3. Проверить, что при сложении стадий получается исходная реакция — по составу и заряду.
  4. Сложить энергии стадий с учётом знака: затрата — «+», выделение — «−».
  5. Построить диаграмму: начальное состояние снизу, конечное — сверху или снизу в зависимости от знака ΔE.

6. Что важно запомнить

  • I — энергия отрыва электрона, всегда положительная.
  • E — энергия присоединения электрона, чаще отрицательная.
  • I(аниона) = −E(атома); E(катиона) = −I(атома).
  • Электроотрицательность — комбинация I и E, характеризует способность смещать электронные пары.
  • На энергетической диаграмме уровень выше = состояние менее устойчиво.
  • При переходе системы «вверх» энергия затрачивается, «вниз» — выделяется.
  • Суммарное ΔE реакции = сумма энергий всех стадий с учётом знаков.

Если что-то осталось непонятным — напишите мне в Telegram. Энергетические диаграммы мы разбираем на первом же занятии, потому что они нужны дальше на протяжении всего курса: и для метода МО, и для термохимии, и для ОВР.