化 学 第二部:物質の構造

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  イオン化エネルギーについて,【イオンのなり易さ】, 【イオン化エネルギーとは】, 【イオン化エネルギーの周期性】  に項目を分けて紹介する。

 イオンのなり易さ

 原子から電子を引きはがすのに必要なエネルギーについては,定義の違いで① イオン化エネルギー(ionization energy)及び電子親和力( electron affinity ) ,② 仕事関数(work function),③ 酸化還元電位( redox potential )に分けられる。それぞれの概要は次の通りである。
 ① イオン化エネルギー及び電子親和力
 何れも軌道電子の構造に基づく分子の化学結合状態に関するエネルギーである。
 イオン化エネルギーは,原子(又は分子)から電子を引き抜くエネルギーである。
 電子親和力原子(又は分子)に電子を付与した時に放出するエネルギーである。
 ②  仕事関数
 固体表面から電子を引き抜くためのエネルギーで,固体の高温酸化など実用面で貴重な情報を与える。
 ③  酸化還元電位
 溶媒中などの反応場(実環境)における酸化還元反応の電位(=位置エネルギー)で,イオン生成に関わる実用的なエネルギーを与える。

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  イオン化エネルギーとは

 電離エネルギーイオン化ポテンシャルともいわれ,原子やイオンなどから電子を取り去るのに要するエネルギーである。
 すなわち,取りだされた電子の結びつきの強さの目安で,エネルギーが小さいほど陽イオンになり易く,陽性が強いという。
 イオン化エネルギーは,気体状態の単原子(又は基底状態の分子)から取り去る電子が 1個目の場合を第一イオン化エネルギー,2個目を取り去る場合を第二イオン化エネルギー,3個目は第三イオン化エネルギーと言う。
 単にイオン化エネルギーという場合は,第一イオン化エネルギーのことを指す。
 イオン化エネルギー一般的な測定は,真空状態で,一定エネルギーの電子ビームを原子(分子)に照射し,飛び出す電子のエネルギーを測定して,与えたエネルギーとの差から求められる。
 
 【参考】
 陽性と陰性
 原子が陽イオンになる性質を陽性(金属性ともいう),陰イオンになる性質を陰性(非金属性ともいう)という。

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  イオン化エネルギーの周期性

 イオン化エネルギーは,電子軌道の相対的エネルギー,及びの電荷の効果で説明される。原子核の正電荷が増すにつれ,軌道電子はより強く保持される。
 例えば,【電子親和力】の「参考表」に示すように,周期表第一周期のヘリウム原子(陽子 2 個)の 1s 軌道電子 1 個を取り出すエネルギーは 2.4 MJ/mol であるが,水素原子(陽子 1 個)の 1s 軌道電子 1 個を取り出すエネルギーは 1.3 MJ/mol と核の電荷が小さい水素のイオン化エネルギーが著しく小さい。

 次に示すように,イオン化エネルギー周期性は,核電荷の大きさと最外殻電子軌道のエネルギー順位から容易に理解できる。
 1 ) 周期表 1 族元素(アルカリ金属)の原子のイオン化エネルギーが,同じ周期の中では,最小の値をとり,18 族元素(希ガス)が最大の値をとる。(核電荷)
 2 ) 同族元素では,原子番号の大きい原子ほどイオン化エネルギーが低い。(軌道電子)
 3 ) 遷移元素の原子のイオン化エネルギーの変化は少ない。( d ,f 軌道電子)
 
 イオン化エネルギーの大きさは,電子の軌道準位の単位にならって慣習的に eV ( electron volt ;電子ボルト)で表すことが多い。しかし,後に示す電子親和力との比較し易いように, 1モル( mol )当たりのエネルギー量( J/mol: ジュール毎モル)に換算している。
 
 【参考】
 エネルギー単位の換算
 1eV = 1.602×10-12 erg =1.602×10-19 joule = 3.827×10-20 cal
 1モル当たりのエネルギーは,アボガドロ数( N = 6.0225×1023 molecule / mol )を用いて,
 1eV×N = 1.602×10-19 joule ×6.0225 × 1023 molecule / mol = 96.48 k J /mol
 周期表( periodic table )
 広く利用されている周期表は,ロシアの化学者メンデレーエフによって提唱された。当時発見されていた元素を単体や化合物の性質で分類し,原子量順に整理することで,未発見の元素性質の予言を目的とした。
 周期表には,長周期型周期表と短周期型周期表の 2種類がある。長周期型は,1族~ 18族で分類するのに対し,短周期型は,1族~ 8族に分類し,各族はさらに A, Bに分けられる。また,長周期型の 8 ~10族は,短周期型では 8B族(鉄族などとも称される)にまとめられている。
 長周期型は,国際純正・応用化学連合 ( IUPAC ) の推奨で,日本高校教育で採用している。米国では,今でも短周期型が一般的である。
 遷移元素( transition element )
 原子の電子配置に基づく元素分類の一種(電子軌道 d 軌道あるいは f 軌道が閉殻でない元素)で,周期表の 3族から 11族(12族を含める学者もいる)までの全ての元素をいう。各族の縦の類似性はあまり著しくなく,横の類似性が目立つ元素類である。

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