پتانسیل یونش چیست؟

پتانسیل یونش چطور تعریف می‎شود؟ چرا این پارامتر بر واکنش‎پذیری یک اتم تأثیر می‎گذارد؟ این مقاله را بخوانید تا پاسخ سؤالات را پیدا کنید.
آن قسمت از شیمی تئوری که به واکنش‎های مولکولی و اتمی مربوط است، در واقع فیزیک کوانتومی است که که تغییر انرژی الکترون‎ها را مطالعه کرده و سیستمی را برای محاسبه احتمالاتی اوربیتالهای اتمی و مولکولی در اختیار ما می‎گذارد. یکی از مفاهیم مهم فیزیک اتمی پتانسیل یونش اتم است.
اتم تشکیل شده است از یک هسته مرکزی و الکترون‎ها. هسته حاوی پروتون‎های با بار مثبت و نوترون‎ها است که با الکترون‎ها احاطه شده است. این الکترون‎ها به دور هسته و در اوربیتال‎هایی با تراز انرژی مشخصی می‎چرخند. الکترون‎ها در اثر نیروی الکترومغناطیسی جاذبه‎ای که از طرف هسته به آنها وارد می‎شود به هسته مقیدند.
برای اینکه الکترون از قید این نیروی جاذبه آزاد شود نیاز به انرژی دارد؛ که این انرژی می‎تواند از طرف یک منبع خارجی به آن وارد گردد. اوربیتال‎های اتمی عناصر شیمیایی مختلف ترازهای انرژی متفاوتی دارند.

تعریف:

پتانسیل یونش نیز تعریفی مشابه انرژی یونش دارد. به مجموع انرژی لازم برای آزاد کردن یک الکترون از قید هسته، که در خارجی‎ترین پوسته هر اتم و به دور هسته در حال چرخش است، پتانسیل یونش گویند. تعریفی که شیمیدان‎ها از پتانسیل یونش دارند، مقدار انرژی لازم برای آزاد کردن یک مول الکترون از یک مول اتم مشخص است.
در فیزیک ما ترجیح می‎دهیم برای واحد پتانسیل یونش، از الکترون‎ولت (eV) بر اتم استفاده کنیم، درحالیکه در شیمی واحد آن کیلوژول بر مول (Kj/mol) است. به عنوان مثال، انرژی یونش هیدروژن eV 5986ر13 است. هرچه این انرژی کمتر باشد، تمایل اتم برای اینکه یک عامل کاهشی بوده و واکنش‎پذیرتر باشد بیشتر است. از طرف دیگر، هرچه انرژی یونش بیشتر باشد، تمایل اتم برای اینکه عامل اکسایش بوده بیشتر است و واکنش‎پذیری کمتری هم دارد.

معادله:

برای اینکه بتوانیم پتانسیل یونش هر اتم را محاسبه کنیم، باید معادله شرودینگر مکانیک کوانتومی را حل کنیم تا ترازهای انرژی اتم را بدست آوریم. به جز هیدروژن، حل تحلیلی کاملی از این معادله برای اتمهای دیگر امکان‎پذیر نیست. در عوض با استفاده از یک مدل تقریبی می‎توان انرژی را تخمین زد. معادله بدست آمده برای محاسبه پتانسیل یونش بصورت زیر است:

پتانسیل یونش (eV) = (Z2/n2) × eV 6ر13

که در آن Z عدد اتمی اتم بوده و n عدد اوربیتال است. این فرمول تنها یک مقدار تقریبی از پتانسیل یونش را در اختیار قرار می‎دهد. مقدار دقیق‎تر را تنها از راه آزمایش می‎توان بدست آورد.
به انرژی لازم برای آزاد کردن یک الکترون از بیرونی‎ترین پوسته اولین پتانسیل یونش گویند و به همین ترتیب به انرژی لازم برای آزاد کردن الکترون بعدی، دومین پتانسیل یونش می‎گویند. همیشه دومین انرژی‎های یونش از اولین آنها بزرگتر هستند. به دلیل اینکه هرچه الکترون بیشتری از پوسته بیرونی جدا شود، اتم، بقیه الکترون‎های باقیمانده را محکم‎تر نگه می‎دارد.
همانطور که قبلاً دیدیم، نکته کلیدی برای فهم پتانسیل یونش این است که هرچه انرژی یونش اتمی بزرگتر باشد یعنی که انرژی بیشتری برای برداشتن یک الکترون از اوربیتال‎های داخلی اتم لازم است. در پایان به خاطر داشته باشید که اتمهایی با انرژی یونش پایین به راحتی الکترون از دست می‎دهند و درنتیجه عامل‎های کاهشی هستند. از سوی دیگر، اتمهایی با انرژی یونش بالاتر عامل‎های اکسایشی هستند. بعنوان یک تمرین به پتانسیل یونش عناصر نگاهی انداخته و حدس بزنید کدامیک از عناصر احتمال دارد اکسایشی یا کاهشی باشند.