PROPIEDADES PERIÓDICAS II. ENERGÍAS DE IONIZACIÓN

 

En el tema dedicado a la Estructura del átomo se explica el concepto de energías de ionización y la importancia que tuvo conocerlas para construir el modelo de la estructura atómica. Las energías de ionización se pueden determinar con gran exactitud mediante procedimientos experimentales, tales como la espectroscopía fotoeléctrica (aplicación del efecto fotoeléctrico al estudio del la estructura atómica) o el análisis espectral.
 

Las energías de ionización de los átomos aislados dependen de tres factores principales: a) La carga nuclear (dada por el número atómico, Z), puesto que cuanto mayor sea Z, mayor es la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones y por tanto más difícil es extraerlos. b) El número cuántico principal, n, del estado energético en que se encuentre el electrón, puesto que cuando mayor sea n, menos ligado se encuentra el electrón al núcleo. c) El efecto de pantalla de los electrones internos, dado que el electrón que se encuentra situado en la última capa se ve sometido a la acción repulsiva de los electrones internos.
 

 

Las energías de ionización, medidas en átomos aislados, informan de la estabilidad de las estructuras electrónicas del átomo. En términos generales, los metales tienen poca atracción por sus electrones periféricos, por lo que tienen energías de ionización bajas frente a los no metales.

A la izquierda se ha representado la variación de la primera energía de ionización (medida en eV/átomo) de los elementos representativos de los tres primeros periodos del Sistema Periódico. Como se observa, en cada periodo la tendencia general es que la energía de ionización aumenta al aumentar el número atómico. Esto es así porque al aumentar el número atómico en un periodo, se incrementa el número de electrones existentes en un mismo nivel energético (sin cambiar el número cuántico principal) y aumenta al mismo tiempo la carga efectiva del núcleo (Z). Por lo tanto, se intensifica la interacción atractiva entre el electrón menos ligado y el núcleo. Por estas razones, los metales alcalinos (grupo I) son los elementos con menor energía de ionización.  En el extremo opuesto, los gases nobles son, con mucho, los elementos con mayor energía de ionización, al tener las estructuras electrónicas más estables.

 

 

Respecto a la variación de la primera energía de ionización dentro de cada familia, la tendencia general es que dicha energía disminuye al aumentar el número atómico. Al aumentar el número atómico dentro de una familia, aumenta el número de niveles y cambia el número cuántico principal. El último electrón está a una distancia mayor del núcleo y el resto de electrones (más internos) ejercen sobre él un gran poder de apantallamiento. Aunque también aumenta la carga nuclear, la intensidad de la interacción núcleo-electrón se resiente.

El gráfico de la izquierda muestra la variación de la energía de ionización en los elementos alcalinos. En las otras familias, la tendencia es análoga.

 

Nos referimos ahora a las energías de ionización posteriores a la primera (recuérdese que la primera energía de ionización es la mínima energía que hay que suministrar a un átomo neutro, en su estado fundamental, para arrancarle el primer electrón; la segunda energía de ionización es la energía precisa para sustraer el segundo electrón y así sucesivamente). Lógicamente, la primera energía de ionización, que corresponde a la extracción del electrón más alejado del núcleo, es la menor; la segunda es mayor que la primera; la tercera mayor que la segunda; y así sucesivamente. A medida que se extraen electrones, los que quedan son más atraídos por el núcleo (que no cambia), puesto que se encuentran más próximos a él, y sufren menos repulsión por el apantallamiento de los electrones restantes, colocados por debajo de ellos.

 

 

Ahora bien, la variación de las sucesivas energías de ionización de un elemento químico no es regular. Precisamente, fue el descubrimiento de que había grandes saltos  en el valor de estas energías lo que hizo concebir la idea de una estructura electrónica en capas o niveles de energía. El cambio de nivel energético (conlleva la disminución del número atómico principal, n) del electrón extraído, se corresponde con un gran aumento de energía de ionización.

A la izquierda se representan los valores de sucesivas energías de ionización (E1, E2, E3,..) de algunos átomos. Los saltos más bruscos se dan entre las energías de electrones de dos niveles de energía diferentes (por ejemplo, para el Be el salto más brusco se da entre la segunda energía de ionización (2s1) y la tercera (1s2).