Téměř veškerá teoretická chemie zahrnující atomové a molekulární reakce je kvantová fyzika, která studuje energetické změny s účastí elektronů. Důležitým konceptem týkajícím se elektronů je definice ionizace.
Atom se skládá z centrálního jádra obsahujícího kladně nabité protony a neutrony, které je obklopeno elektrony obíhajícími kolem něj na orbitalech se specifickými energetickými hladinami. Elektrony jsou k atomovému jádru vázány elektromagnetickou přitažlivostí.
Aby se elektron osvobodil od gravitační síly atomového jádra, potřebuje energii, která může pocházet z vnějších zdrojů. Pokud je tato energie dostatečná, vznikají ionty.
Ionty jsou atomy, které získaly nebo ztratily elektrony.
Proces štěpení molekul látky na kladné a záporné ionty při rozpouštění se nazývá ionizace.
Ionizace je endotermická, což znamená, že atom nebo molekula zvyšuje svou vnitřní energii (bere ji z vnějšího zdroje). Pro každý atom chemického prvku jsou energetické hladiny pro každý atomový orbitál odlišné.
Co je potřeba pro proces štěpení
Pro proces štěpení molekul látky za vzniku iontů je zapotřebí ionizační energie, ionizační potenciál. Je definován jako celkové množství energie potřebné k uvolnění elektronu, který rotuje ve vnějším obalu jakéhokoli atomu.
Chemici ji dále definují jako celkovou energii potřebnou k uvolnění jednoho molu elektronů z jednoho molu konkrétního atomu.
Ve fyzice se jako jednotka ionizačního potenciálu používá elektronvolt (eV) na atom, zatímco v chemii se měří v kJ/mol (kilojoulech na mol). Například ionizační energie vodíku je 13,5984 eV (1310 kJ/mol).
Čím nižší je energie, tím větší je sklon atomu stát se redukčním činidlem a tím je reaktivnější. Na druhou stranu, čím vyšší je ionizační energie, tím větší je sklon stát se oxidačním činidlem a tím je méně reaktivní.
Energie potřebná k odstranění jednoho elektronu z vnější energetické vrstvy atomu se nazývá první ionizační potenciál, zatímco energie potřebná k odstranění druhého elektronu se nazývá druhý ionizační potenciál. Druhý ionizační potenciál je vždy vyšší než první. Je to proto, že čím více elektronů je odstraněno z vnějších vrstev, tím pevněji se atom drží ostatních, které zbývají.
Klíčem k pochopení ionizace je proces získávání nebo ztráty elektronu vlivem energie.
Nyní si podrobně povíme, co je v tomto procesu ionizace.
Proces tvorby iontů na příkladu
Abychom pochopili proces ionizace, podívejme se na strukturu chloridu sodného. Chlorid sodný je kuchyňská sůl, kterou používáme v každodenním životě. Atomová čísla Na a Cl jsou 11 a 17. To znamená, že atom sodíku má na svých oběžných drahách 11 a atom chloru 17 elektronů.
Atom Na má na své vnější oběžné dráze pouze jeden elektron. Zatímco chlor má na své vnější oběžné dráze sedm elektronů. Víme však, že pro stabilitu atomy obvykle potřebují na své vnější oběžné dráze osm elektronů. Oba tyto atomy jsou tedy chemicky aktivní. Když se tyto atomy spojí, atom Na ztratí své nejvzdálenější elektrony a nabije se kladně, zatímco atom Cl získá jeden elektron a nabije se záporně. Protože atomy výměnou elektronů na své vnější oběžné dráze získají osm elektronů, mezi Na a Cl existuje elektrostatická síla a dohromady tvoří jednu molekulu NaCl.
Jak již bylo uvedeno, iontové vazby vznikají, když se kov váže s nekovem, a tyto vazby jsou extrémně silné.
Sůl tedy vzniká iontovou vazbou mezi kovovým sodíkem (kation +1) a nekovovým chlorem (anion -1). V tomto procesu se Na slučuje s Cl za vzniku NaCl neboli kuchyňské soli. Síla vazby v soli se odráží v jejím vysokém bodu tání 800 °C.
Iontové sloučeniny a pevné látky
Sůl nejen vzniká iontovou vazbou. Sůl je také příkladem iontové pevné látky nebo krystalické pevné látky, která obsahuje ionty.
Krystalická pevná látka: typ pevné látky, v níž jsou jednotlivé části uspořádány v jednoduchém, určitém geometrickém vzoru, který se opakuje ve všech směrech.
Existují tři typy krystalických pevných látek: molekulární pevné látky (jako je sacharóza nebo stolní cukr), jejichž molekuly mají neutrální elektrický náboj; atomové pevné látky (například diamant, vyrobený z čistého uhlíku); a iontové pevné látky.
Sůl se netvoří z běžných molekul, jako je voda nebo oxid uhličitý. Vnitřní strukturu soli si lze představit jako opakující se řadu chloridových aniontů a sodných kationtů, těsně uspořádaných jako pomeranče v krabici.
Toto těsné uspořádání kladných a záporných nábojů pomáhá vytvořit pevnou vazbu, a proto se sůl musí před roztavením zahřát na vysokou teplotu. Pevná sůl nevede elektřinu, ale po roztavení se stává velmi dobrým vodičem. V pevném stavu jsou ionty těsně uspořádány, a proto neusnadňují pohyb elektrických nábojů; ale když je struktura narušena roztavením nebo rozpuštěním v něčem, je pohyb iontů možný.
Energie pro proces
Voda není dobrý vodič, i když jistě propouští elektrický proud, takže je nebezpečné provozovat elektrické spotřebiče v blízkosti vody.
Když se sůl roztaví, stane se dobrým vodičem, ale toho lze dosáhnout i jejím rozpuštěním ve vodě.
Příklad kuchyňské soli ukazuje, co je ionizace. Jedná se však o typ ionizace, který lze definovat jako proces, při kterém je z atomu nebo molekuly odstraněn jeden nebo více elektronů za vzniku iontu, nebo jako proces, při kterém se iontová pevná látka, jako je sůl, po rozpuštění v roztoku disociuje na své jednotlivé ionty.
Množství energie potřebné k dosažení ionizace se nazývá ionizační energie nebo ionizační potenciál.
Když se atom nachází na své normální energetické hladině, říká se, že je v základním stavu. V tomto bodě elektrony zaujímají své normální orbitální struktury. Mezi elektronem a kladně nabitým jádrem, které obsahuje protony, vždy existuje vysoký stupeň přitažlivosti. Energie potřebná k přesunu elektronu na vyšší orbitál zvyšuje celkovou energii atomu, který je v excitovaném stavu.
Excitovaný stav atomu je jednoduše krokem k jeho ionizaci odstraněním elektronu. „Krok“ je výstižná metafora, protože elektrony se nehýbou jednoduše podél kontinua z jedné energetické hladiny na druhou, jako když člověk stoupá po žebříku. Dělají jednotlivé kroky, jako když člověk stoupá po žebříku nebo rampě. Toto je jeden z klíčových principů kvantové mechaniky, špičkové oblasti fyziky, která má také četné aplikace v chemii. Stejně jako se náhlá změna označuje jako „kvantový skok“, elektrony provádějí kvantové skoky z jedné energetické hladiny na druhou.
Vzhledem k silné přitažlivosti mezi elektronem a jádrem se první elektron, který má být odstraněn, nachází na nejvzdálenější oběžné dráze. Toto množství energie se nazývá první ionizační energie. Odstranění druhého elektronu bude mnohem obtížnější, protože atom je nyní kationtem a kladný náboj protonů v jádře je větší než záporný náboj elektronů. Proto je energie potřebná k odstranění druhého elektronu mnohem vyšší než k odstranění prvního.
Tvorba iontů prvků a sloučenin
Pro prvky existují hladiny ionizační energie, ačkoli je třeba poznamenat, že vodík, protože má pouze jeden elektron, má pouze první ionizační energii. Hodnoty obecně rostou zleva doprava podél periody nebo řádku periodické tabulky a klesají shora dolů podél sloupce nebo skupiny.
Důvod, proč se ionizační energie v průběhu periody zvyšuje, je ten, že nekovy na pravé straně tabulky mají vyšší energie než kovy, které jsou na levé straně. Hodnota se v průběhu skupiny snižuje, protože prvky níže v tabulce mají vyšší atomová čísla, což znamená více protonů, a tedy i více elektronů. Je proto pro ně snazší vzdát se jednoho ze svých elektronů než pro prvek s nižším atomovým číslem – stejně jako by pro milionáře bylo snazší ztratit tisíc rublů než pro někoho s minimální mzdou.
U molekul ve sloučeninách je ionizační energie obvykle spojena s prvky, jejichž atomy tvoří molekulu. Stejně jako prvky s menším počtem elektronů obecně s menší pravděpodobností jeden uvolní, tak i molekuly s více než jedním atomem. Ionizační energie oxidu uhličitého (CO2), obsahující pouze tři atomy, je relativně vysoká. Naopak ve větších molekulách, stejně jako u větších atomů, je více elektronů, které je třeba uvolnit, a proto je snazší jeden z molekuly oddělit.
Aplikace procesu
K produkci iontů pro hmotnostní spektrometrii nebo jiné aplikace se používá řada metod. Nejběžnější z těchto metod je elektronový impakt, který se vytváří bombardováním vzorku plynu proudem rychle se pohybujících elektronů. Ačkoli je jednodušší než některé jiné metody, není nijak zvlášť účinný, protože k odstranění elektronu je zapotřebí více energie. Elektronová zbraň, obvykle žhavý wolframový drát, produkuje obrovské množství elektronů, které jsou poté vystřeleny do plynu. Protože jsou elektrony tak malé, je to spíše jako použití rychlopalného kulometu k zabíjení komárů: je téměř nevyhnutelné, že někteří komáři budou zasaženi, ale bude nutné vystřelit do vzduchu mnoho ran, aniž by se nějaký hmyz zasáhl.
Dalším ionizačním procesem je ionizace polem, při které dochází k vystavení molekuly velmi intenzivnímu elektrickému poli. K ionizaci polem dochází v každodenním životě, když statická elektřina vytváří malou jiskru. Jiskra je ve skutečnosti proud elektronů.
V aplikovaných laboratořích je ionizace profesionálně známá a používají se k ní přesné přístroje. Tento proces je mnohem účinnější než elektronový náraz a vyžaduje mnohem méně energie v poměru k energii potřebné k odstranění elektronů. Technologický pokrok v medicíně tento proces široce využívá.
Chemická ionizace využívá metodu podobnou ionizaci elektronovým nárazem, s tím rozdílem, že místo elektronů se k bombardování a ionizaci vzorku používá paprsek. Ionty použité při tomto bombardování jsou obvykle malé molekuly, jako je metan, propan nebo amoniak. Molekulární iont je však mnohem větší než elektron a tyto srážky jsou vysoce reaktivní.
Mnoho hmotnostních spektrometrů používá zdroj schopný jak elektronového nárazu, tak chemické ionizace.
Ionizaci může zajistit elektromagnetické záření, jehož vlnová délka je kratší než vlnová délka viditelného světla, tj. ultrafialové světlo, rentgenové záření nebo gama záření.
Dochází také k fotoionizaci malých molekul, jako je kyslík (O2). Fotoionizace probíhá v horních vrstvách atmosféry, kde ultrafialové záření ze Slunce způsobuje ionizaci kyslíku a dusíku (N2) v jejich molekulárních formách.
To je ionizace v její populární podobě.
