چرا انرژی نخستین یونش در دورهٔ سوم دو بار افت می‌کند؟

انرژی نخستین یونش آرگون بیش از سه برابرِ انرژی یونش سدیم است. این دو عنصر در دو سر دورهٔ سوم‌اند. اگر عددها را از سدیم تا آرگون یکی‌یکی بخوانید، دو بار انرژی پایین می‌آید. آن دو جا را پیدا کنید و با آرایش الکترونی توضیح دهید چرا جدا کردن یک الکترون آسان‌تر شده است.

انرژی نخستین یونش یعنی چه؟

انرژی نخستین یونش یا انرژی یونش اول، کمترین انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یک اتمِ خنثی و منفرد در حالت گازی و در حالت پایه است. با جدا شدن الکترون، یک یون با بار مثبتِ یک به جا می‌ماند.

⁦X(g) → X⁺(g) + e⁻⁩

در یک دوره، هر عنصر نسبت به عنصر قبلی یک پروتون بیشتر دارد و الکترون‌های ظرفیت در همان لایهٔ اصلی‌اند. این الکترون‌ها معمولاً جاذبهٔ بیشتری از سوی هسته حس می‌کنند و جدا کردن یکی از آن‌ها انرژی بیشتری می‌خواهد. برای توضیح دو افت دورهٔ سوم باید زیرلایه و چیدمان الکترون‌هایش را هم بررسی کنید. انرژی یونش و روندهای تناوبی در کتاب شیمی OpenStax

دو افت را از روی عددها پیدا کنید

فهرست از سدیم تا آرگون به‌ترتیب افزایش عدد اتمی است. انرژی یونش اول را برحسب الکترون‌ولت (eV) برای یک اتم می‌خوانید. عددها تا دو رقم اعشار گرد شده‌اند. داده‌های انرژی یونش در پایگاه طیف‌های اتمی NIST

• سدیم (Na)، 5.14
• منیزیم (Mg)، 7.65
• آلومینیم (Al)، 5.99
• سیلیسیم (Si)، 8.15
• فسفر (P)، 10.49
• گوگرد (S)، 10.36
• کلر (Cl)، 12.97
• آرگون (Ar)، 15.76

۱. هر عدد را با عدد سطر بالایی مقایسه کنید. هر جا انرژی کمتر شده، نام دو عنصر را به‌ترتیبِ فهرست بنویسید. برای حساب کردن مقدار افت، انرژی عنصر دوم را از انرژی عنصر اول کم کنید. برای بررسی نمادها و عددهای اتمی به فهرست فارسی عنصرهای جدول تناوبی سر بزنید.

دو توضیح اشتباه را اصلاح کنید

هر توضیح داخل گیومه یک ایراد دارد. پیش از خواندن پاسخ‌نامه، آن را در یک یا دو جمله اصلاح کنید.

۲. «جدا کردن الکترون از آلومینیم آسان‌تر است چون الکترون در لایهٔ تازه‌ای قرار دارد.» آرایش منیزیم ⁦[Ne] 3s²⁩ و آرایش آلومینیم ⁦[Ne] 3s² 3p¹⁩ است. عدد ۳ شمارهٔ لایه است و حروف s و p زیرلایه را نشان می‌دهند. ⁦[Ne]⁩ هم آرایش الکترون‌های درونیِ مشترک را نشان می‌دهد. از هر اتم، الکترونِ کدام زیرلایه جدا می‌شود؟ برای توضیحِ افت، میزان نفوذ این دو نوع اوربیتال به ناحیهٔ نزدیک هسته را مقایسه کنید.

۳. «در گوگرد، الکترون چهارمِ زیرلایهٔ 3p در یک اوربیتال خالی جا می‌گیرد و به همین دلیل آسان‌تر جدا می‌شود.» آرایش فسفر ⁦[Ne] 3s² 3p³⁩ و آرایش گوگرد ⁦[Ne] 3s² 3p⁴⁩ است. برای هر اتم سه خانه بکشید، یکی برای هر اوربیتالِ 3p. طبق قاعدهٔ هوند، ابتدا در هر خانه یک پیکان رو به بالا بکشید. اگر الکترونی باقی ماند، آن را با پیکان رو به پایین در یکی از خانه‌ها کنار پیکان اول بگذارید. چیدمان دو اتم چه فرقی دارد و این فرق چه اثری بر انرژی یونش دارد؟

۴. نیتروژن و اکسیژن در دورهٔ دوم کنار هم‌اند. آرایش نیتروژن ⁦[He] 2s² 2p³⁩ و آرایش اکسیژن ⁦[He] 2s² 2p⁴⁩ است. پیش‌بینی کنید جدا کردن نخستین الکترون از کدام اتم انرژی کمتری می‌خواهد. برای توضیح، سه اوربیتالِ 2p را در هر اتم رسم کنید.

پاسخ‌نامه

۱. از منیزیم به آلومینیم، با کم کردن 5.99 از 7.65 به افت ⁦1.66 eV⁩ می‌رسید. از فسفر به گوگرد، با کم کردن 10.36 از 10.49 افت ⁦0.13 eV⁩ به دست می‌آید. هر دو اختلاف با عددهای گرد شدهٔ فهرست حساب شده‌اند.

۲. در منیزیم الکترون از 3s و در آلومینیم از 3p جدا می‌شود. هر دو زیرلایه در لایهٔ سوم‌اند. الکترونِ 3p کمتر از الکترونِ 3s در ناحیهٔ نزدیک هسته حضور دارد و اثر پوششی الکترون‌های درونی بر آن بیشتر است. این الکترون در آلومینیم انرژی بالاتری دارد و جدا کردنش آسان‌تر است.

۳. در فسفر هر سه اوربیتالِ 3p یک الکترون دارند. در گوگرد یکی از این اوربیتال‌ها دو الکترون دارد و دو اوربیتال دیگر هر کدام یک الکترون دارند. می‌توانید چیدمان خود را با این دو الگو مقایسه کنید.

• فسفر ⁦P: [↑] [↑] [↑]⁩
• گوگرد ⁦S: [↑↓] [↑] [↑]⁩

در هر دو اتم، نخستین الکترون از 3p جدا می‌شود. در گوگرد، جدا شدن یکی از الکترون‌های جفت، دافعهٔ بین آن دو را از بین می‌برد. این دافعه به پایین آمدن انرژی یونش گوگرد کمک می‌کند.

۴. جدا کردن الکترون از اکسیژن انرژی کمتری می‌خواهد. در نیتروژن هر سه اوربیتالِ 2p یک الکترون دارند. در اکسیژن یکی از آن‌ها دو الکترون دارد و دافعهٔ این جفت جدا شدن یکی از آن‌ها را آسان‌تر می‌کند. داده‌های NIST هم این افت را نشان می‌دهند. انرژی یونش اول نیتروژن ⁦14.53 eV⁩ و انرژی یونش اول اکسیژن ⁦13.62 eV⁩ است.

از اشتباه خودتان یک فلش‌کارت بسازید

اگر لایه و زیرلایه را در سؤال ۲ یکی گرفتید، روی کارت بنویسید «در یونش اول، از کدام زیرلایهٔ منیزیم و آلومینیم الکترون جدا می‌شود و چرا این کار برای آلومینیم انرژی کمتری می‌خواهد؟»

پشت کارت بنویسید «در منیزیم از 3s و در آلومینیم از 3p. هر دو در لایهٔ سوم‌اند. الکترونِ 3p کمتر به ناحیهٔ نزدیک هسته نفوذ می‌کند و آسان‌تر جدا می‌شود.»

اگر در سؤال ۳ اشتباه کردید، روی کارت بپرسید چیدمان الکترون‌های 3p در فسفر و گوگرد چه فرقی دارد و چرا این فرق روی انرژی یونش اثر می‌گذارد. پشت کارت، هر دو چیدمان را بکشید و کنار جفتِ گوگرد اثر دافعه را بنویسید. فردا و چند روز بعد، پیش از برگرداندن کارت، جواب را از حافظه بگویید.

برای تمرین بیشتر می‌توانید از مجموعهٔ ۸۸ فلش‌کارت انگلیسی دربارهٔ روندهای تناوبی استفاده کنید.

تمرین‌ها با کمک هوش مصنوعی تهیه شده‌اند. داده‌ها با پایگاه NIST و توضیح‌ها با کتاب شیمی OpenStax تطبیق داده شده‌اند.