Đang tải bài học…

AP Chemistry

năng lượng ion hóa

ionization energy

Còn gọi: ionisation energy · IE · năng lượng ion hóa thứ nhất

Năng lượng ion hóa là năng lượng tối thiểu cần thiết để tách hoàn toàn một electron ra khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản.

Năng lượng ion hóa là đại lượng đặc trưng cho mức độ liên kết chặt chẽ của điện tử với hạt nhân nguyên tử. Khi một nguyên tử (atom) ở trạng thái cơ bản (ground state) và ở thể khí, việc tách một điện tử ra khỏi nguyên tử đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng tối thiểu. Quá trình này luôn thu nhiệt, bởi vì điện tử đang bị hạt nhân hút; do đó muốn thắng được lực hút ấy thì hệ buộc phải nhận thêm năng lượng từ bên ngoài.

Cụ thể, phương trình mô tả quá trình này có thể viết dưới dạng $X(g) + IE \rightarrow X^+(g) + e^-$ , trong đó $X$ là nguyên tử trung hòa ở thể khí, $X^+$ là ion dương sinh ra, còn $e^-$ là điện tử tự do. Nhờ phương trình này, ta thấy rõ năng lượng ion hóa thứ nhất chính là bước nhảy năng lượng đầu tiên để biến một nguyên tử thành ion dương. Hơn nữa, nếu tiếp tục tách thêm điện tử thứ hai, thứ ba thì ta sẽ cần những mức năng lượng cao hơn hẳn, vì lực hút của hạt nhân lên các điện tử còn lại ngày càng mạnh khi số hạt mang điện dương trong hạt nhân không đổi nhưng số điện tử thì giảm đi.

Bên cạnh đó, trên bảng tuần hoàn, đại lượng này biến thiên theo những quy luật rất rõ rệt. Khi di chuyển từ trái sang phải trong một chu kỳ, điện tích hạt nhân (nuclear charge) tăng lên làm lực hút lên các điện tử ở lớp ngoài cùng mạnh hơn, do đó năng lượng cần để tách chúng cũng lớn hơn. Ngược lại, khi đi từ trên xuống dưới trong một nhóm, các điện tử hóa trị nằm ở những lớp xa hạt nhân hơn và còn bị chắn bởi nhiều lớp bên trong, vì vậy chúng dễ dàng bị tách ra hơn. Chính nhờ những xu hướng này mà học sinh có thể dự đoán tương đối chính xác khả năng phản ứng (reaction) của các nguyên tố (element).

Ký hiệu

IE_1

X(g) \rightarrow X^+(g) + e^-

Đơn vịkJ/mol hoặc eV/nguyên tử

Trực giác: Giống như việc bạn phải tốn một lực đủ mạnh để giật một món đồ chơi ra khỏi tay một đứa trẻ đang nắm chặt, nguyên tử cũng giữ electron của nó bằng một mức năng lượng ràng buộc nhất định.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thập niên 1910 (chứng cứ sớm nhất: 1914)

Cụm từ "ionization energy" đi vào tiếng Anh khoa học vào thập niên 1910, với chứng cứ sớm nhất được ghi nhận năm 1914 trên tạp chí Proceedings of the Royal Society, giữa lúc các nhà vật lý đang tìm cách đo lượng năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi nguyên tử.

Đầu thế kỷ 20, phòng thí nghiệm đã có thể bắn electron vào chất khí và quan sát khoảnh khắc khí trở nên dẫn điện, tức khoảnh khắc nguyên tử bị mất electron. Điều còn thiếu là một con số: cần bao nhiêu năng lượng thì hiện tượng đó xảy ra. Vì thí nghiệm điều khiển electron bằng hiệu điện thế, đại lượng này ban đầu được gọi là thế ion hóa (ionization potential), tên gọi được ghi nhận trong khoảng 1910–1915 và thường đo bằng electronvolt. Do đó, tên gọi "năng lượng ion hóa" ra đời như một cách phát biểu cùng đại lượng ấy theo ngôn ngữ năng lượng thay vì ngôn ngữ điện thế.

Thử nghiệm tương tác

Bóc từng electron của K rồi của Ca — xem lớp ngoài cùng cạn đi thì giá phải trả nhảy vọt thế nào

Hay hiểu sai

Oxygen có năng lượng ion hóa thấp hơn nitrogen không phải vì hiệu ứng chắn mạnh hơn.

Ion dương luôn khó lấy electron hơn nguyên tử trung hòa tương ứng.

Không giải thích năng lượng ion hóa bằng "nguyên tử muốn đạt cấu hình khí hiếm".

Năng lượng ion hóa và ái lực electron là hai đại lượng ngược chiều nhau, đừng dùng lẫn.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bảng dưới đây cho năng lượng ion hóa thứ nhất (kJ/mol) của một số nguyên tố chu kì 2: Be = 899, B = 801, C = 1086, N = 1402, O = 1314, F = 1681. Quá trình được xét ứng với phương trình

\text{X}(g) \rightarrow \text{X}^{+}(g) + e^{-}

, tức là tách một electron ra khỏi nguyên tử ở thể khí, trạng thái cơ bản.

aNêu xu hướng chung của năng lượng ion hóa thứ nhất khi đi từ trái sang phải trong chu kì 2 và giải thích nguyên nhân.
bGiải thích vì sao giá trị của oxygen lại thấp hơn của nitrogen, tức là lệch khỏi xu hướng chung.
cGiải thích vì sao boron có giá trị thấp hơn beryllium.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Cấu trúc nguyên tử và cấu hình electron” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

ái lực electronelectron affinity

Khác nhau ở đâuNăng lượng ion hóa đo năng lượng cần để bứt electron khỏi nguyên tử, luôn dương. Ái lực electron đo năng lượng tỏa ra khi nguyên tử nhận thêm electron, thường âm.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về xu hướng năng lượng liên quan đến việc thêm hay bớt electron ở nguyên tử khí

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 325, 338.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên ghép từ hai mảnh có tuổi đời rất khác nhau. Phần "ion" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp với nghĩa "đi, di chuyển", vì hạt mang điện là thứ chạy về phía điện cực trong dung dịch dẫn điện; phần "energy" thì đến từ tiếng Hy Lạp energeia nghĩa là "hoạt động, sự vận hành", được dùng trong tiếng Anh từ thế kỷ 16 để chỉ lực hay công năng, rồi trở thành khái niệm nền của vật lý sau khi nhiệt động lực học phát triển ở thế kỷ 19. Ghép lại, tên gọi mô tả đúng nội dung: năng lượng làm cho nguyên tử "ra đi" một electron và biến thành ion. Điều đáng chú ý là tên gọi song song, thế ion hóa (ionization potential), vẫn còn sống trong nhiều tài liệu và trong đơn vị quen thuộc electronvolt. Vì vậy khi gặp hai cách gọi khác nhau trong đề thi, người học không nên xem đó là hai đại lượng khác nhau: chúng chỉ phản ánh hai cách mà phòng thí nghiệm đầu thế kỷ 20 nhìn cùng một phép đo, một bên đếm năng lượng, một bên đọc hiệu điện thế trên máy. Về sau, khái niệm này sinh ra cả một họ thuật ngữ quanh nó. Chiều ngược lại, tức năng lượng tỏa ra khi nguyên tử trung hòa nhận thêm một electron, được gọi là ái lực electron (electron affinity); còn trong hóa học lượng tử, định lý Koopmans (Koopmans' theorem) phát biểu rằng năng lượng ion hóa xấp xỉ bằng giá trị âm của năng lượng orbital chứa electron bị bứt ra. Nhờ đó, một đại lượng vốn sinh ra từ ống phóng điện đã trở thành cầu nối giữa số liệu thực nghiệm và mô hình orbital.

Bóc từng electron của K rồi của Ca — xem lớp ngoài cùng cạn đi thì giá phải trả nhảy vọt thế nào

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Mọi câu giải thích xu hướng đều phải nêu đủ hai yếu tố Coulomb: điện tích và khoảng cách.

Với bảng năng lượng ion hóa liên tiếp, hãy tìm bước nhảy lớn bất thường.

Viết đủ trạng thái khí và "trạng thái cơ bản" khi đề yêu cầu định nghĩa hoặc phương trình.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Trước hết hãy đọc con số theo đúng thứ tự trong chu kì: 899 → 801 → 1086 → 1402 → 1314 → 1681. Nhìn tổng thể thì giá trị tăng dần từ Be đến F, và nguyên nhân nằm ở điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge), ước lượng bằng

Z_{\text{eff}} = Z - S

với

Z

là số proton còn

S

là mức chắn của các electron khác. Trong cùng một chu kì, electron được thêm vào cùng một lớp ngoài cùng nên chắn cho nhau rất kém, trong khi số proton tăng đều mỗi bước một đơn vị. Do đó

Z_{\text{eff}}

tăng, bán kính nguyên tử giảm, và hạt nhân giữ electron ngoài cùng chặt hơn nên cần nhiều năng lượng hơn để tách nó ra.

2Bước 2: Với ý (b), phải viết cấu hình electron (electron configuration) của hai nguyên tử rồi so sánh: N là

1s^2\,2s^2\,2p^3

còn O là

1s^2\,2s^2\,2p^4

. Ở nitrogen, ba electron 2p nằm riêng trong ba orbital khác nhau nên không có cặp nào bị ép chung một orbital. Ở oxygen, electron 2p thứ tư buộc phải ghép đôi với một electron đã có sẵn, và lực đẩy giữa các electron (electron–electron repulsion) trong cùng một orbital làm electron này bớt bị giữ chặt. Vì vậy chỉ cần 1314 kJ/mol để tách nó, thấp hơn 1402 kJ/mol của nitrogen, dù oxygen có nhiều proton hơn.

3Bước 3: Ý (c) là một kiểu lệch khác, không liên quan đến ghép đôi mà liên quan đến phân lớp. Be là

1s^2\,2s^2

nên electron bị tách nằm ở 2s, còn B là

1s^2\,2s^2\,2p^1

nên electron bị tách nằm ở 2p. Phân lớp 2p có năng lượng cao hơn 2s và electron 2p còn bị hai electron 2s chắn bớt sức hút của hạt nhân, nên nó nằm xa hạt nhân hơn về mặt xác suất. Nhờ đó electron 2p của boron dễ bị tách hơn, giải thích con số 801 kJ/mol nhỏ hơn 899 kJ/mol.

Xu hướng chung là năng lượng ion hóa thứ nhất tăng từ Be đến F vì $Z_{\text{eff}}$ tăng và bán kính giảm. Hai chỗ lệch có hai nguyên nhân khác nhau: oxygen thấp hơn nitrogen vì electron 2p thứ tư phải ghép đôi và chịu lực đẩy, còn boron thấp hơn beryllium vì electron bị tách của boron nằm ở phân lớp 2p có năng lượng cao hơn và bị phân lớp 2s chắn. Bài viết đạt điểm phải nhắc đến cả hai chất trong mỗi so sánh, không chỉ mô tả một chất.

2Ví dụ 2/2

Các năng lượng ion hóa liên tiếp của nguyên tố X (kJ/mol) lần lượt là:

IE_1 = 578

IE_2 = 1817

IE_3 = 2745

IE_4 = 11577

. Ngoài ra, năng lượng ion hóa thứ hai của K là 3052 kJ/mol còn của Ca là 1145 kJ/mol.

aX thuộc nhóm nào trong bảng tuần hoàn? Dùng số liệu để lập luận.
bGiải thích vì sao năng lượng ion hóa thứ hai của K lớn hơn của Ca.
cGiữa Zn và $\text{Zn}^{2+}$ , tiểu phân nào có năng lượng ion hóa lớn hơn? Viết cấu hình electron đầy đủ của $\text{Zn}^{2+}$ và giải thích.

1Bước 1: Với ý (a), hãy xét tỉ số giữa hai giá trị liên tiếp thay vì xét hiệu số. Từ

IE_1

sang

IE_3

các bước tăng vừa phải:

1817/578 \approx 3{,}1

rồi

2745/1817 \approx 1{,}5

. Nhưng từ

IE_3

sang

IE_4

thì

11577/2745 \approx 4{,}2

, một bước nhảy đột ngột. Bước nhảy đó báo hiệu electron thứ tư đã phải lấy từ lớp bên trong (core electrons), nơi các electron gần hạt nhân hơn hẳn và bị hút mạnh hơn nhiều. Vì X có đúng ba electron dễ tách nên X thuộc nhóm 13, phù hợp với nhôm.

2Bước 2: Ý (b) dùng đúng lập luận vừa nêu nhưng ở chiều ngược lại. K là

[\text{Ar}]\,4s^1

, nên sau khi mất một electron 4s thì

\text{K}^{+}

đã có cấu hình bền của khí hiếm và electron thứ hai buộc phải lấy từ lớp

n = 3

nằm sát hạt nhân. Ca là

[\text{Ar}]\,4s^2

, nên electron thứ hai vẫn nằm ở lớp ngoài cùng

4s

, xa hạt nhân và được các lớp trong chắn tốt. Do đó 3052 kJ/mol của K lớn hơn hẳn 1145 kJ/mol của Ca, dù Ca có nhiều proton hơn.

3Bước 3: Ý (c) yêu cầu viết cấu hình trước rồi mới so sánh. Zn có 30 electron với cấu hình

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}

; khi tạo cation, hai electron

4s

ra đi trước nên

\text{Zn}^{2+}

là

1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^{10}

, tổng cộng 28 electron. Hai tiểu phân này có cùng 30 proton, nhưng

\text{Zn}^{2+}

ít hơn hai electron nên lực đẩy giữa các electron giảm và mỗi electron còn lại chịu

Z_{\text{eff}}

lớn hơn. Ngoài ra, việc tách thêm một electron ra khỏi một ion đã mang điện dương phải thắng cả lực hút tĩnh điện với ion đó.

4Bước 4: Gộp lại,

\text{Zn}^{2+}

có bán kính nhỏ hơn và giữ electron chặt hơn Zn, nên năng lượng ion hóa của nó lớn hơn. Đây cũng chính là quy tắc tổng quát giải thích vì sao dãy

IE_1 < IE_2 < IE_3 < \dots

luôn tăng với mọi nguyên tố. Điều thay đổi giữa các nguyên tố chỉ là vị trí của bước nhảy lớn, và vị trí đó cho biết số electron hóa trị.

X thuộc nhóm 13 vì bước nhảy lớn nằm giữa $IE_3$ và $IE_4$ , cho thấy nguyên tố có ba electron hóa trị. Năng lượng ion hóa thứ hai của K lớn hơn của Ca vì electron thứ hai của K bị lấy từ lớp trong đã bền của khí hiếm, còn của Ca vẫn lấy từ lớp $4s$ ngoài cùng. Cuối cùng, $\text{Zn}^{2+}$ với cấu hình $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^{10}$ có năng lượng ion hóa lớn hơn Zn vì cùng số proton nhưng ít electron hơn nên mỗi electron bị giữ chặt hơn.

năng lượng mạng tinh thể (sắp có)

Liên quanelectronđiện tích hạt nhân hiệu dụng (sắp có)bán kính nguyên tử

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.