Energie d'ionisation: potentiel, méthodes pour sa détermination

L' énergie d'ionisation correspond à la quantité minimale d'énergie, généralement exprimée en kilojoules par mole (kJ / mol), nécessaire pour produire le détachement d'un électron situé dans un atome en phase gazeuse et se trouvant dans son état. fondamental

L'état gazeux désigne l'état dans lequel il est libre de l'influence que d'autres atomes peuvent exercer sur eux-mêmes, de la même manière que toute interaction intermoléculaire est rejetée. La magnitude de l'énergie d'ionisation est un paramètre décrivant la force avec laquelle un électron est lié à l'atome dont il fait partie.

En d'autres termes, plus l'énergie d'ionisation nécessaire est importante, plus le détachement de l'électron en question sera compliqué.

Potentiel d'ionisation

Le potentiel d'ionisation d'un atome ou d'une molécule est défini comme la quantité minimale d'énergie qui doit être appliquée pour provoquer le détachement d'un électron de la couche la plus externe de l'atome dans son état fondamental et avec une charge neutre; c'est-à-dire l'énergie d'ionisation.

Il convient de noter que lorsque l'on parle de potentiel d'ionisation, on utilise un terme tombé en désuétude. En effet, auparavant, la détermination de cette propriété était basée sur l'utilisation d'un potentiel électrostatique sur l'échantillon d'intérêt.

En utilisant ce potentiel électrostatique, deux choses se sont produites: l'ionisation de l'espèce chimique et l'accélération du processus de détachement de l'électron que l'on souhaitait éliminer.

Ainsi, en commençant à utiliser des techniques spectroscopiques pour sa détermination, le terme "potentiel d'ionisation" a été remplacé par "énergie d'ionisation".

De plus, il est connu que les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par la configuration des électrons présents au niveau d'énergie le plus externe dans ces atomes. Ensuite, l’énergie d’ionisation de ces espèces est directement liée à la stabilité de leurs électrons de valence.

Méthodes pour déterminer l'énergie d'ionisation

Comme mentionné précédemment, les méthodes pour déterminer l'énergie d'ionisation sont principalement données par des processus de photoémission, qui sont basés sur la détermination de l'énergie émise par les électrons à la suite de l'application de l'effet photoélectrique.

Bien que l'on puisse dire que la spectroscopie atomique soit la méthode la plus immédiate pour la détermination de l'énergie d'ionisation d'un échantillon, nous avons également une spectroscopie photoélectronique, dans laquelle les énergies avec lesquelles les électrons sont liés aux atomes sont mesurées.

En ce sens, la spectroscopie photoélectronique ultraviolette (également connue sous le nom d'UPS pour son acronyme anglais) est une technique qui utilise l'excitation d'atomes ou de molécules par l'application de rayons ultraviolets.

Ceci afin d'analyser les transitions d'énergie des électrons les plus externes dans les espèces chimiques étudiées et les caractéristiques des liaisons qu'ils forment.

On connaît également la spectroscopie photoélectronique à rayons X et le rayonnement ultraviolet extrême, qui utilisent le même principe que celui décrit ci-dessus, avec des différences dans le type de rayonnement qui frappe l’échantillon, la vitesse à laquelle les électrons sont expulsés et la résolution obtenu.

Première énergie d'ionisation

Dans le cas d'atomes ayant plus d'un électron à leur niveau le plus externe (c'est-à-dire les atomes dits polyélectroniques), la valeur de l'énergie nécessaire pour démarrer le premier électron de l'atome qui se trouve dans son état fondamental est donnée par équation suivante:

Energie + A (g) → A + (g) + e-

"A" symbolise un atome de n'importe quel élément et l'électron détaché est représenté par "e-". Il en résulte la première énergie d'ionisation, appelée "I 1 ".

Comme on peut le constater, une réaction endothermique est en cours, l’atome étant alimenté en énergie pour obtenir un électron ajouté au cation de cet élément.

De même, la valeur de la première énergie d'ionisation des éléments présents dans la même période augmente proportionnellement à l'augmentation de leur numéro atomique.

Cela signifie qu'il diminue de droite à gauche au cours d'une période et de haut en bas dans le même groupe du tableau périodique.

En ce sens, les énergies des gaz rares ont une grande magnitude dans leur énergie d'ionisation, tandis que les éléments appartenant aux métaux alcalins et alcalino-terreux ont une valeur faible de cette énergie.

Deuxième énergie d'ionisation

De la même manière, lors du démarrage d'un deuxième électron à partir du même atome, on obtient la deuxième énergie d'ionisation, symbolisée par "I 2 ".

Energie + A + (g) → A2 + (g) + e-

Le même schéma est suivi pour les autres énergies d'ionisation lors du démarrage des électrons suivants, sachant que, suite au détachement de l'électron d'un atome dans son état fondamental, l'effet répulsif entre les électrons restants diminue.

Comme la propriété appelée "charge nucléaire" reste constante, une plus grande quantité d'énergie est nécessaire pour déclencher un autre électron de l'espèce ionique à charge positive. Donc les énergies d'ionisation augmentent, comme on le voit ci-dessous:

I 1 <I 2 <I 3 <... <I n

Enfin, outre l’effet de la charge nucléaire, les énergies d’ionisation sont affectées par la configuration électronique (nombre d’électrons dans la couche de valence, type d’orbite occupée, etc.) et par la charge nucléaire effective de l’électron à détacher.

En raison de ce phénomène, la plupart des molécules de nature organique ont des valeurs élevées d'énergie d'ionisation.