Periodiek systeem met eerste ionisatie-energieën

Wat eerste ionisatie-energie betekent

De eerste ionisatie-energie is de energie die nodig is om het het minst stevig gebonden elektron van één neutraal atoom in de gasfase te verwijderen: X(g) → X⁺(g) + e⁻. De waarden hier zijn in elektronvolt per atoom; om om te rekenen naar de kilojoule per mol die in veel studieboeken wordt gebruikt, vermenigvuldig je met 96,485. Elke cel toont de waarde in eV, en lawrencium en de zwaardere elementen, waarvoor geen waarde bekend is, tonen een streepje.

Het verwijderen van een tweede elektron kost altijd meer energie dan het eerste, en de sprong is enorm als het volgende elektron uit een volle binnenste schil zou komen. Natrium staat gemakkelijk één elektron af maar bijna nooit een tweede, en daarom vormt het Na⁺ en niet Na²⁺.

De trend door perioden en langs groepen

Ionisatie-energie neemt toe door een periode. De kernlading groeit terwijl de buitenste elektronen in dezelfde schil blijven, dus ze worden steviger vastgehouden. Perioden 2 tot 6 beginnen elk met een alkalimetaal, dat de laagste waarde in zijn rij heeft, en eindigen met een edelgas, dat de hoogste heeft.

Ionisatie-energie neemt af langs een groep naar beneden. Elke nieuwe schil plaatst het buitenste elektron verder van de kern en achter meer binnenste elektronen, dus het is gemakkelijker te verwijderen. Daarom reageren de alkalimetalen heftiger met water naarmate ze lager in groep 1 staan.

Uitzonderingen op de trend

Twee kleine dalen doorbreken de stijging door elke periode. Boor heeft een lagere ionisatie-energie dan beryllium (8,298 eV tegenover 9,323 eV) omdat het buitenste elektron in een 2p-subschil zit, die hoger in energie ligt en gedeeltelijk wordt afgeschermd door de 2s-elektronen. Zuurstof ligt lager dan stikstof (13,618 eV tegenover 14,534 eV) omdat het vierde 2p-elektron een orbitaal moet delen, en de afstoting tussen de gepaarde elektronen maakt er een gemakkelijker te verwijderen. Dezelfde dalen komen voor in periode 3, van magnesium naar aluminium en van fosfor naar zwavel.

Verderop houden elementen die na een gevulde d- of f-subschil komen hun elektronen steviger vast dan verwacht, omdat d- en f-elektronen de kern slecht afschermen. Gallium is iets moeilijker te ioniseren dan aluminium, en goud veel moeilijker dan zilver.

Uitgewerkt voorbeeld: natrium

De eerste ionisatie-energie van natrium is 5,139 eV. Vermenigvuldigen met 96,485 geeft ongeveer 495,8 kJ/mol, de waarde in de meeste studieboeken. Vergelijk neon, het edelgas vlak ervoor, met 21,565 eV: een elektron uit neon verwijderen betekent een volle schil openbreken, wat ongeveer vier keer zoveel energie kost.