Energia de ionizare și energia de activare

Energia de ionizare și energia de activare ( revizuit )

Acesta este un text revizuit al unui material (Variatia energiei de ionizare)  publicat in 2007 in cartea Structura atomica .

Context și interpretarea actuală

Energia necesară pentru a extrage  un electron dintr-un  atom  izolat (M), aflat in stare de gaz, și când acest atom se află în nici o combinație chimică cu alți atomi se numește energie de ionizare ( EI ) .
M_(g) ----> M⁺_(g) + e^-

Pentru electronii de valență,  energiile de ionizare se diminuează în grupe de sus în jos și cresc în perioade de la stanga la dreapta.  Energia de ionizare prezintă o corelație negativă puternică cu rază atomică. Există de asemenea o dependență a energiei de ionizare în funcție de sarcina nucleară, numărul de straturi electronice, și de ecranare altor electroni. Atunci când sarcina nucleară crește, forța de atracție între nucleu și electroni crește de asemenea și aceasta înseamnă că este necesară o energie mai mare pentru a ioniza un electron de pe ultimul strat. 

 Energiile de ionizare diferă semnificativ  în funcție de subnivelul electronic de pe care este expulzat electronul.   De exemplu, este nevoie de mai puțină energie pentru a elimina un electron din substratul p decat din substratul s; apoi energia se diminueaza pe măsură ce trecem la subnivelul d, iar subnivelul f are cea mai scazută energie de ionizare. Se consideră că  electronii s sunt  mai aproape de nucleu, în timp ce electronii f sunt departe și mai putin atrași de acesta.

Variația  periodică a energiei ionizare pentru ultimul electron a primele 20 de elemente este prezentată în fig. 1. Cu fiecare nouă perioadă energia de ionizare începe cu o valoare scăzută. În fiecare perioadă energia de ionizare crește dar cu oscilații datorate subnivelelor de energie. 

Figura 1 . Variație energia de ionizare

Pentru H care are doar un singur electron se deplasează în jurul nucleului va exista o singură valoare pentru potențialul de ionizare .

Pentru alte elemente, pierderea fiecarui  electron succesiv necesită și mai multă energie, deci o valoare distinctă și crescătoare a energiei de ionizare este  măsurată pe măsură ce ne apropiem de nucleul atomic; explicația este intuitivă pentru că este mult mai dificil de a elimina o serie de electroni , întrucăt cei care sunt mai apropiați de nucleu simt o atracție mai puternică. 

La modul general, energia de ionizare En reprezintă energia necesară eliberării electronului n după ce alți n-1 electroni au fost deja îndepărtați. Pentru a explica valoarea energiei de ionizare, mecanica quantică nu dispune de o ,,formulă specială” și de aceea vechiul model al lui Bohr este acceptat ca valid. 

În afară de energia de ionizare, o nouă unitate de  energie  a fost necesar să fie acceptată - energia de activare - care își are originea in principal în experimentele legate de fotoelectricitate. Energia de activare  este cantitatea de energie necesară pentru a elimina un electron de dintr-un material (de obicei  solid sau lichid).
În unele texte științifice, energia de ionizare și energia de activare din orice metal sunt considerate identic, dar valorile lor sunt diferite pentru semiconductori sau izolatori. De fapt, mecanica cuantică definește ehergia de cativare ca acea energie necesară pentru a elimina un electron de pe nivelul Fermi.    Energia de activare este o proprietate caracteristică pentru orice suprafață solidă a unei substanțe cu o banda de conducție ( goală sau parțial umplută cu electroni). Pentru un metal, nivelul Fermi este în banda de conducție. Pentru un izolator, nivelul Fermi se află în afara benzii de conducție, și în acest caz este necesară o anumită cantitate de energie pentru ca un electron să ajungă pe banda de conducție.  
Unele texte prezintă o corelație cunoscut empiric între energia de ionizare atomica ( EI) și energa de activare (EA) a unui metal :

 EI/EA≈2

Fapte experimentale arată că Energia de activare  depinde de orientarea cristalului și de tipul de cristalizare. De exemplu Ag : 4.26 , Ag ( 110 ):4,64, Ag(111):4.74 .

De ce explicația actuală este eronată ...

În teorie actuală a structurii atomice, energia de ionizare are o importanță secundară. Variația energiei de ionizare pentru ultimul electron din structura atomică este folosită  numai ca suport  și justificare pentru a explica periodicitatea chimică. Variația energie de ionizare a diferiților electroni din același element sau variația energiei de ionizare a aceluiași electron dar din elemente diferite, nu prezintă nici o importanță în actualul mecanic cuantică.
De fapt, mecanic cuantică este capabilă să rezolve ecuația Schrödinger numai pentru hidrogen sau tipuri de atomi hidrogenoizi. Prin urmare, este o idee absurdă ideea că această ecuație ar putea explica variația energiei de ionizare în sistemul periodic. În primul rând, chiar în cazul elementului hidrogen, mecanic cuantică ar  trebui să explice motivul pentru care diferiți atomi au același energie de ionizare. Dacă electroni nu urmează o traiectorie fixă în jurul unui anumit nucleu, iar descrierea electronului e statistică și implicit probabilistică, valoarea energiei de ionizare ar trebui sa fie la randul ei probabilistică.   

 Este important de subliniat că energia de ionizare ar trebui să joace un rol esențial în structura atomică. Aceasta deoarece electronii sunt aranjați în cochilii și în fiecare coajă din nou o diferență în energie de ionizare se observă . În mecanica cuantică diferenta între energia de ionizare a  electronilor de pe aceeași strat  ar trebui să fie dată de interacțiunea dintre electroni și spinul electronilor.  

În teoria propusă, diferite valori ale potențialului de ionizare se datorează diferitelor orbite ale electronilor in jurul nucleului si cuplarii momentelor magnetice ale electronilor în starea de bază. 
În calculele de mai jos vom folosi o baza de date cu   potențialele  de ionizare gasită la adresa http://spectr-w3.snz.ru.
Fără a face nici o presupunere cu rpivire la orice aranjament al electronilor în jurul nucleului să analizeze energia de ionizare pentru serii  isoelectronice . Prin serie isoelectronic ne referim la același număr de electroni, dar un număr tot mai mare de protoni neutroni în nucleu.  Având în vedere spațiul limitat pentru afișare, în tab 1 sunt prezentate energiile de ionizare pentru primele 15 elemente, dar informatiile prezentate doar pentru aceste elemente sunt valabile si  pot extinde pentru toate elementele din sistemul periodic .

Analizând potențialul de ionizare al primei serii isoelectronice ( un electron în jurul nucleului), se observă o dependență pătratică în legătură cu numărul atomic Z. Dependența pătratică este ușor să fie observată pentru prima serie isoelectronic, dar pentru alte serii izoelectronice este ascunsă de un factor suplimentar in ecuația energiei de legătură. În scopul de a ajunge la o dependență liniară, vom lucra cu rădăcina pătrată a energiei de ionizare și vom face de asemenea unele trucuri matematice simple. 

Definim Energia de ionizare relativă a electronului k  a unui element ca fiind energia de ionizare a electronului k  împărțită la energia de ionizare a hidrogenului. De exemplu, în cazul hidrogenului energia de ionizare  relativă este 1, iar pentru heliu avem două energii de ionizare relative, 1.8 pentru un electron și 3.99 pentru al doilea electron. Pentru alte elemente modalitatea de calcul a energiei relative de ionizare sunt aceleași. În tab-ul 2, sunt prezentate rădăcina pătrată a energiei de ionizare relative pentru primele 15 elemente.

Cu această modificare simplă, distribuirea de rădăcina pătrată a energiei relative de ionizare pentru primul electron ( prima serie isoelectronică ) în diferiți atomi este liniară în raport cu numărul atomic Z și acest lucru se observă din tab. 2 chiar și fără o reprezentare grafică.

The variation of square root of relative ionization potentials for first 36 isoelectronic series related to the atomic numbers Z is presented in fig 1.17 and 1.18; fig. 1.17 is a detailed part of 1.18 and is presented for a better visualization of ionization potential variations.

Variația rădăcinii pătrate a energiei de ionizare relativă pentru primele 36 de serie isoelectronice  este prezentat în figura 1.17 și 1.18; fig . 1.17 este o parte detaliată a fig.  1.18 și este prezentată pentru o vizualizare mai bună pe un domeniu limitat.  

Aceeași dependență liniară este observată, de asemenea pentru orice altă serie isoelectronică, dar o imagine globală pentru întregul sistem periodic nu poate fi reprezentată clar și in plus nu oferă nici o informație suplimentară. În imagini seriile isoelectronice sunt poziționate la stânga la dreapta. Pentru primele două serii isoelectronice, două linii paralele cu aceeași pantă se obțin atunci când numărul atomic este crescut de la heliu până la plumb. A doua linie reprezentând energia celui de-al doilea electron în diferiți atomi și linia este un pic deplasată în raport  cu prima serie isoelectronică din cauza unui factor suplimentar care apare și care reprezintă o nouă interacțiune între electroni. Putem observa de asemenea o energie de cuplare intre prima si a doua serie energetică, întrucât panta celor două linii este aceeasi raportată la axa orizontală.  
După cum se observă dependență liniară este respectată pentru fiecare din  seriile isoelectronice ale electronilor și panta acestor linii e constantă. Există câteva exceptii de la liniaritate dar acestea sunt singulare și mai mult ca sigur sunt datorate fie unor erori de publicare in baza de date, fie unor erori de măsură. Am incercat să consult o bază de date americană cu potențialele de ionizare, dar nu mi s-a permis accesul. 

Din reprezentarea grafică a variației energiei relative de  ionizare se poate observa că există un cuplaj a electronilor în perechi de minimum 2 electroni,  cu aceeași pantă de variație a energiei; pentru valori majore ale lui Z, se observă o cuplare a mai multor perechi de cate doi electroni având aceeași pantă de variație a energiei. De exemplu, după prima pereche de electroni, un număr de patru perechi (opt orbite electronice ) prezintă aceeași pantă în variația energie  relative de ionizare. Această distribuție a energiei de ionizare contrazice teoria mecanică cuantică și ipoteza dualității undă-corpuscul. Este imposibil ca un electron cu o mișcare complicată, dată de o funcție de probabilitate să prezinte o dependență liniară a energiei relative de ionizare.
În consecințele putem presupune, pentru moment, că ,,adăugând" unul sau mai mulți electroni la un atom hydrogenoid va avea drept consecințe modificarea energiei, cu un termen suplimentar de interacțiune; această variație a energiei este corelată cu numărul atomic.

În același timp, pentru legea Moseley o nouă explicație (mult mai simplă și clară) poate fi formulată. Saltul unui electron de la un nivel superior pe un alt nivel inferior, cu ambele niveluri de energie liniare și dependente de numărul atomic, va produce un foton cu o energie proporțională cu diferența între aceste energii. În concluzie factorul de ecranare acceptat de mecanica cuantică este eliminat și legea Moseley poate fi corectată.  
Prin urmare, teoria propusă, prezintă o variație simplă și ușor de obersvat a energiei de ionizare în sistemul periodic bazată pe o traiectorie clasică a electronilor în jurul nucleului. Teoria quantică bazată pe densitatea de probabilitate a electronilor în jurul nucleului și dualitatea undă - corpuscul sunt excluse.

 Dependența liniară a energie de  ionizare  este liniară de asemenea, pentru așa-numitele d și  f substratrui ale actualei mecanici cuantice. Singura diferență în distribuția de energiei relative de ionizare observată este legată de panta diferită a acestor perechi de electroni. O discuție detaliată a acestor aspecte se va face la aranjamentele de electroni pe atomi multielectron .

 Mecanic cuantic colapsează complet atunci  când conceptul de energie de activare este analizat în detaliu.

Valoarea energiei de activare pentru metale ar trebui să fie aproape egală cu energia de ionizare, deoarece în acest caz, pe baza modelului actual de legătură metalică, electronii sunt liberi să se miște î interiorul cristalului dar au o barieră de potețial la marginea cristalului.  
În tabelul 1 se prezintă comparativ valorile energiei de ionizare și ale energiei de activare pentru o serie de elemente chimice comune. 

Tabelul 1 . Energia de activare și de ionizare pentru câteva elemente comune 

După cum se observă, energia de ionizare a metalelor este mai mare decat energia de activare. Sodiu, un metal alcalin are o energie de activare de 2,36 eV și o energie de ionizare de 5,13 eV.  Pentru mercur energia de activare este de 4.47 eV și energia de ionizare este de 10.43 eV. Ce frapează atenția e faptul că nu există deosebiri remarcabile intre variatiile energiei de activare si ionizare pentru metale, sau nemetale. Arsenicul care e un semiconductor are o energie de activare mult mai mciă decât aluminiu sau argint, deși conductibilitatea celor din urmă e mult superioară.Este foarte ciudat că teoreticienii actuali nu au observat aceste lucruri si nu au dat o interpretare. 

Dar acest lucru nu este coșmarul mecanicii cuantice. Este bine cunoscut faptul că oxizi metalici prezintă energii de activare mai mici decăt metalele de la care provin și chiar mai mici decât metalele alcaline . De exemplu, un catod de tungsten are o funcție de muncă egală cu 4,54 eV și  când tungstenul este acoperit cu oxid de toriu, energia de activare este de doar 2,5 eV.
Cum poate mecanica cuantică explica această modificare ?
Nu există nici o explicație și, de fapt, conform mecanicii cuantice  tungstenul acoperit cu oxid de toriu ar trebui să aibă o energie de activare mai mare decât metalul in sine.  În oxid, electronii sunt implicatți in general in legături chimice și nu au libertatea de miscare ca in cazul unui metal.

Alte îmbunătățiri sunt prevăzute în textul de față .