Ionisatie-energie in het periodiek systeem

Ionbinding

• Ionbinding ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positieve en negatieve ionen.

Mechanisme van vorming

• Een ionverbinding vormt in drie stappen:
  • Vorming van een kation (positief ion)
  • Vorming van een anion (negatief ion)
  • De binding tussen de ionen
• Tijdens niet alle stappen komt er energie vrij.
• De totale energie moet dalen voor een stabiele binding.
• Hoe meer energie er vrijkomt, hoe sterker de binding.

Vorming van positieve monoatomische ionen (kation)

• Het omzetten van een atoom in een positief geladen ion vereist ionisatie-energie.
• Ionisatie-energie (Ei) is de energie die nodig is om de aantrekkingskracht van de kern op een elektron te verbreken.
• Eᵢ,₁, Eᵢ,₂ en Eᵢ,₃ staan voor de energie die nodig is om respectievelijk het eerste, tweede en derde elektron los te krijgen.
• Eᵢ,tot = Eᵢ,₁ + Eᵢ,₂ + ... afhankelijk van de hoeveelheid elektronen die geëxciteerd moeten worden.
• Ionisatie-energie wordt uitgedrukt in eV/atoom of kJ/mol.

Factoren die de ionisatie-energie beïnvloeden

• De ionisatie-energie is afhankelijk van de aantrekkingskracht van de kern.
• Grootte van de kern: een kleinere kern leidt tot een kleinere Eᵢ.
  • Een kleinere kern heeft minder protonen en trekt elektronen minder sterk aan, waardoor Eᵢ daalt.
• Hoofdenergieniveau (n): een grotere n leidt tot een kleinere Eᵢ.
  • Bij een groter n is het elektron verder van de kern, waardoor de aantrekkingskracht afneemt en Eᵢ daalt.
• Aantal mantelelektronen(elektronen in de buitenste schil): meer mantelelektronen leiden tot een kleinere Eᵢ.
  • Meer mantelelektronen zorgen voor afscherming en verdelen de kernlading, waardoor de aantrekkingskracht per elektron afneemt en Eᵢ daalt.

Ionisatie-energieën van eenzelfde atoom

• De ionisatie-energie neemt toe naarmate het atoom al elektronen heeft afgestaan: Eᵢ,₁ < Eᵢ,₂ < Eᵢ,₃ < ...
• De kernlading blijft constant.
• Het aantal mantelelektronen vermindert, waardoor de aantrekkingskracht op de overgebleven elektronen toeneemt.
• Een positief ion staat minder makkelijk een elektron af dan een neutraal atoom.
• De ionisatie-energie neemt sterk toe als een elektron uit een lager niveau moet worden gehaald; de ionisatie-energie van een ion met edelgasconfiguratie is veel groter.
• In eenzelfde atoom neemt de ionisatie-energie toe naarmate de lading van het ion groter wordt; zodra de edelgasconfiguratie bereikt is, neemt ze plots sterk toe.

Ionisatie-energie van atomen in eenzelfde periode

• Valentie-elektronen van atomen binnen een periode hebben hetzelfde energieniveau, dus het hoofdkwantumgetal heeft geen invloed.
• Van links naar rechts in het periodiek systeem nemen de kernlading en het aantal mantelelektronen toe.
• Het effect van elektronen op hetzelfde niveau is minder belangrijk dan van elektronen uit een lager energieniveau.
• Meer kernlading zorgt voor sterkere aantrekking en dus een hogere ionisatie-energie.
• De ionisatie-energie neemt doorgaans toe van links naar rechts in een periode.

Ionisatie-energie van atomen in eenzelfde groep

• De ionisatie-energie daalt van boven naar onderen in eenzelfde groep.
• Van boven naar onderen stijgt het hoofdkwantumgetal, het aantal mantelelektronen en de kernlading.
• De eerste twee factoren verzwakken de aantrekking tot de kern, terwijl het toenemend aantal protonen deze juist versterkt.
• Het resultaat is meestal een lichte verlaging van de ionisatie-energie als men in de groep daalt.
• De invloed van de kernlading wordt gecompenseerd door de andere factoren.
• De ionisatie-energie neemt toe van onderen naar boven(op enkele uitzonderingen na)

Uitzonderingen op de regels van het Periodiek Systeem

• Stabiele situaties zoals een halfedelgasconfiguratie kunnen zorgen voor een onverwachte ionisatie-energie.
• In een groep hebben alle drie de factoren invloed op Eᵢ.
  • Hoe lager men gaat, hoe groter de invloed van de kern en hoe kleiner de invloed van het hoofdkwantumgetal.
• De factor kernlading wint ten opzichte van de factoren kwantumgetal en afscherming.

Vorming van negatieve monoatomische ionen - elektronenaffiniteit (anion)

• Een atoom moet een vreemd elektron opnemen om een negatief ion te vormen.
• Er is minder bekend over de vorming van een anion, dus de elektronenaffiniteit is minder goed gekend.
• De aantrekking van de kern zorgt ervoor dat het elektron spontaan op de elektronenmantel terechtkomt, als er plaats is en de elektronen niet te afstotend werken.
• Bij de meeste atomen komt energie vrij bij de opname van een elektron; dit is de elektronenaffiniteit (EA).
• Een elektron zakt van een oneindig hoofdkwantumgetal naar een lager energieniveau, waarbij overtollige energie vrijkomt.
• Elektronenaffiniteit (EA) is de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer een elektron aan een atoom wordt toegevoegd.
• Hoe groter de elektronenaffiniteit, hoe gemakkelijker het atoom een elektron opneemt.
• Dezelfde factoren die de ionisatie-energie beïnvloeden, beïnvloeden ook de elektronenaffiniteit (hoofdkwantumgetal, aantal mantelelektronen, kernlading).
• De elektronenaffiniteit wordt groter als de kernlading groter is, het hoofdkwantumgetal kleiner is en het aantal mantelelektronen kleiner is.
• In het periodiek systeem neemt de elektronenaffiniteit meestal toe van links naar rechts en van onder naar boven.
  • Perioden: de elektronenaffiniteit stijgt bij toenemende kernlading.
  • Groepen: de elektronenaffiniteit stijgt naar boven toe.

Elektronenaffiniteit

• Het toevoegen van een tweede elektron aan een atoom vergt energie; de elektronenaffiniteit (EA,2) is dan negatief.
  • Door reeds opgenomen elektronen is er een toename aan mantelelektronen, waardoor er meer afstoting is en het atoom vergroot, wat de aantrekkingskracht vermindert.
• Positieve elektronenaffiniteit: de vorming van een eenmaal negatief geladen monoatomische ionen uit atomen maakt energie vrij.
• Negatieve elektronenaffiniteit: om een ion met een negatieve lading te vormen, is energie nodig.
• De waarde van de elektronenaffiniteit is afhankelijk van de samenstelling van het atoom. Kleine negatieve ionen met een kleine lading komen het gemakkelijkst tot stand.
• De elektronenaffiniteit is relatief klein in vergelijking met de ionisatie-energie en er komt maar weinig energie vrij.

Roosterenergie

• Als de ionisatie-energie en elektronenaffiniteit resulteren in een positief getal, is er nog een factor nodig om de energiebalans gunstig te beïnvloeden.
• Roosterenergie moet energie leveren voor een binding.

Vorming van een ionenpaar

• Elektrostatische aantrekkingskracht trekt tegengestelde ladingen aan, wat zorgt voor meer stabiliteit en het vrijkomen van energie.

Samenkomst van meerdere ionenparen

• Vaste stoffen ontstaan doordat ionenparen samenklonteren.
• Bij de samenkomst van twee ionenparen ontstaan aantrekkingskrachten tussen tegengestelde ladingen en afstotingskrachten tussen gelijke ladingen.
• Aantrekking is groter dan afstoting omdat de afstand tussen tegengestelde ionen korter is.
• De toevoeging van een derde ionenpaar maakt energie vrij en maakt het geheel stabieler.
• De totale energiebalans van de drie omzettingen is gunstig.
• Ionenverbindingen zijn stabieler dan de vrije atomen waaruit ze ontstaan en zullen dus spontaan tot stand komen.
• Roosterenergie (ER) is de hoeveelheid energie die vrijkomt bij de vorming van 1 mol kristallijne verbinding uit de samenstellende positieve en negatieve ionen (in kJ/mol).

Factoren die de roosterenergie beïnvloeden

• Grootte van de ionlading: hoe groter de lading, hoe groter de roosterenergie.
  • Grotere lading zorgt voor sterkere elektrostatische aantrekkingskracht.
• Ionenstraal: hoe kleiner de straal, hoe groter de roosterenergie.
  • Een kleinere ionstraal zorgt voor een toenemende elektrostatische kracht
• Meerwaardige ionen hebben een grotere lading en dus sterkere aantrekkingskrachten, wat leidt tot een hogere ER.
• De grootte van de ladingen heeft een belangrijker effect op de roosterenergie dan de ionstralen.
• Kristalvorming uit positieve en negatieve ionen maakt energie vrij. De roosterenergie het grootst voor kleine ionen met een grote lading.
• Etot = ER - Ei¡ + EA

Ionlading en stabiliteit van ionverbindingen

• Een stabiele ionverbinding komt energie vrij bij de vorming.
• Hoe meer energie vrijkomt, hoe moeilijker het is de binding te verbreken.
• De roosterenergie en de elektronenaffiniteit moeten zo groot mogelijk zijn, terwijl de ionisatie-energie zo klein mogelijk moet zijn.

Beperking van ladingsmogelijkheden

• Niet alle ionen kunnen stabiel bestaan binnen een ionbinding.
• Ionbindingen kunnen alleen bestaan als de vorming van ionen energetisch gunstig is.
• Kationen mogen geen hoge ionisatie-energie hebben en anionen geen lage elektronenaffiniteit.
• Er kunnen geen ionen gevormd worden die de edelgasconfiguratie overschrijden, omdat de opgeslorpte energie niet meer gecompenseerd kan worden door de roosterenergie.
• Isoëlektrische deeltjes zijn deeltjes met dezelfde edelgasconfiguratie.
• De drijvende kracht bij de vorming van ionen in de a-groepen is de drang de dichtstbijzijnde edelgasconfiguratie te bereiken.
• In een zout zijn ionen met edelgasconfiguratie het stabielst, omdat de energiebalans dan het voordeligst is.
• Negatieve metaalionen evenmin als positieve niet-metaalionen komen niet voor. (kost te veel energie)
• In sommige gevallen is de benodigde energie voor ionisatie of elektronenopname zo groot dat deze niet meer gecompenseerd wordt door de energie die vrijkomt bij de vorming van een ionbinding. In zulke gevallen zijn covalente bindingen energetisch gunstiger en komen daarom vaker voor.
• De meeste verbindingen van overgangselementen zijn ionverbindingen.
• De meeste overgangselementen en de zwaarste elementen uit Illa en IVa geven aanleiding tot ionen met een maximale lading van 3+.
• De ionen bevatten meestal gevulde/halfgevulde laatste schilorbitalen/ edel-of halfedelgasconfiguratie.
• Atomen waarvan geen stabiele ionen tot stand kunnen komen, geven aanleiding tot covalente bindingen.

Stabiliteit van ionverbindingen

• Een ionverbinding is stabieler als er meer energie vrijkomt, d.w.z. als Etot = ER - Ei + EA groter is.

Kwalitatief onderzoek

• Hierbij noteer je per categorie de beste situatie en waarom dit voordeliger is. Aan het eind vergelijk je de ionbindingen.
• Vaak is kwalitatief onderzoek niet haalbaar omdat sommige factoren tegengestelde effecten hebben
  • Grotere roosterenergie bij hogere lading vereist meer energie om ionen te vormen.
  • Grote positieve ionen zijn makkelijker te vormen, maar leiden tot een kleinere roosterenergie.
  • De energie is afhankelijk van de verhouding van positieve en negatieve ionen in het zout.
• Cijfermatig/kwantitatief onderzoek: Etot = ER - Ei + EA
• Vermenigvuldig de waarden als je meerdere ionen van hetzelfde element hebt in een ionbinding
• Ook polyatomische ionen bevatten ionbindingen, zoals ammoniumion, de atomen hierin worden samengehouden door covalente bindingen.
  • Polyatomische ionen bestaan uit meerdere atomen.

Afmetingen van ionen

• 'Atoomstraal' is een vrij arbitrair begrip omdat het onmogelijk is om de precieze afstand van de kern tot de elektronendistributie te vinden.
• Voor eenzelfde ion in verschillende bindingen zijn de straalverschillen klein.
• Positieve ionen zijn kleiner en negatieve ionen zijn groter dan de overeenstemmende atomen.
• De ionstraal neemt af in een horizontale reeks bij toenemende kernlading.
• De ionstraal neemt toe in een verticale groep bij toenemend aantal elektronenschillen.

Kristalstructuur van ionverbindingen

• De samenstelling van een ionverbinding is afhankelijk van de ladingen van de betrokken ionen, er moeten evenveel negatieve als positieve ladingen zijn.

Ionroosters

• Vaste stoffen kristalliseren vaak uit in bepaalde vormen, deze macroscopische vorm van een kristal is een gevolg van de inwendige microstructuur die we kunnen afleiden uit de zichtbare vorm.
• De afmetingen en geometrie van de eenheidscel kunnen worden onderzocht met röntgenstralen.
• De eenheidscel is de kleinste structuur die zich in de drie dimensies herhaalt om het kristalrooster te vormen.
• De verhouding van het aantal positieve en negatieve ionen en hun relatieve grootte bepaalt de aard van de eenheidscel.
• Het coördinatiegetal van een ion is het aantal naaste buurionen van dat ion.
• Beide ionen hebben hetzelfde coördinatiegetal als er evenveel positieve als negatieve ionen zijn.
• Het coördinatiegetal van het negatieve ion is de helft van dat van het positieve ion als er tweemaal meer negatieve ionen voorkomen.
• Het zout, de verhouding waarin positieve en negatieve ionen voorkomen en hun relatieve grootte bepaalt de gestapelde manier in een kristalrooster, dit leidt tot verschillende vormen van de eenheidscellen en coördinatiegetallen.

Eigenschappen van ionverbindingen

• Hoog smeltpunt: ionverbindingen hebben een hoog smeltpunt doordat de sterke elektrostatische krachten (coulombkrachten) de ionen in het kristal samengehouden.
  • Om een zout te smelten is er dus een grote roosterenergie dat gedeeltelijk overwonnen moet worden(smeltpunt ↑ naarmate roosterenergie ↑)
• Broosheid: ionverbindingen vertonen een geringe vluchtigheid en grote hardheid, maar ze zijn broos (niet vervormbaar).
  • Verschuiving door kracht kan gelijknamige ionen tegen elkaar laten komen, hierdoor ontstaat de afstoting tot een breukvlak.
• Ionverbindingen zijn goed oplosbaar in polaire oplosmiddelen zoals water, de wisselwerking tussen de ionladingen, de dipolen en de dipolen van het oplosmiddel is hier de oorzaak van.
  • Watermoleculen omringen/dispergeren de ionen en de interactie-energie overwint de ionroosterenergie.
• Elektrolyten
  • In oplossing en gesmolten toestand wordt het ionrooster verbroken; vrijgekomen ionen maken hierdoor geleiding van elektrische stroom mogelijk.
  • Dit gaat gepaard met chemische omzettingen (elektrolyse).
• Isomorf: Twee stoffen met dezelfde kristalvorm die samen kunnen uitkristalliseren in alle verhoudingen.
• Polymorfie: Het gevolg van een stof zijn omstandigheden, hierdoor ontstaat de vorming van verschillende kristalstructuren.
• Amorf: Vaste stoffen zonder herkenbare kristalstructuur(geen vorm).