Chemie Grundlagen

Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie ist der Energiebeitrag, den du aufwenden musst, um ein Elektron aus der Valenzschale eines Atoms zu lösen. Alles, was du dazu wissen musst, erfährst du hier!

Möchtest du das Ganze lieber kompakt in audiovisueller Form zusammengefasst, sieht dir auf jeden Fall unser Video  an!

Inhaltsübersicht

Ionisierungsenergie einfach erklärt

Immer wenn ein Atom Elektronen aus seiner Valenzschale abgeben möchte, muss es dafür die Ionisierungsenergie, auch Ionisationspotential genannt, aufwenden. Der Grund dafür ist, dass die Protonen im Kern des Atoms positiv geladen sind und durch ihr elektrisches Feld die Elektronen vom Verlassen des Atoms abhalten möchten.

Merke

Je mehr dieser Kernladung ein Elektron spürt, desto unfreiwilliger verlässt es den Kern und desto höher ist auch die aufzuwendende Ionisierungsenergie. Nach dem Abgeben des Elektrons ist die Ladung des Atoms positiv.

Ionisierungsenergie Einheit 

Wenn du die Ionisierungsenergie eines Elements oder auch eines Moleküls interpretieren möchtest, musst du zuerst wissen, in welcher Einheit diese Energie überhaupt gemessen wird. Da es sich hierbei wieder um eine Energie handelt, die eigentlich pro Atom erfasst werden müsste, ist eine Angabe in Elektronenvolt pro Atom [eV/Atom] sinnvoll. Da aber meistens experimentell nur makroskopische Größen erfassbar sind, ist die Angabe in Joule pro Mol [J/mol] auch sehr geläufig. Du kannst die beiden aber auch sehr leicht mit einem Umrechnungsfaktor ineinander überführen. Dazu verwendest du folgende Formel:

1eV/Atom = 96,485 kJ/mol

Ionisierungsenergie Einheiten und Umrechnungsfaktoren

pro Atom: [eV/Atom]

pro Mol: [J/mol]

1eV/Atom = 96,485 kJ/mol

Ionisierungsenergie PSE

Du musst dir aber glücklicherweise nicht jede Ionisierungsenergie der Elemente im Periodensystem auswendig merken, denn es gibt bestimmte Trendverläufe im Periodensystem (PSE). Anhand von diesen kannst du leicht feststellen, ob die Ionisationsenergie eines Elements eher größer oder kleiner im Vergleich zu anderen, ist. 

Ionisierungsenergie in einer Hauptgruppe mit Tabelle

Der erste Trend, den du dir leicht merken kannst: Die Ionisierungsenergie sinkt in einer Hauptgruppe von oben nach unten. Der Grund dafür ist, dass nach unten hin die Elektronen immer mehr Schalen höherer Energie besetzen. Dadurch sitzen immer mehr Elektronen anderer Schalen zwischen den Elektronen der Valenzschale, welchen bei einer Ionisation das Atom verlassen würden, und dem Kern. Dadurch sinkt die elektrische Anziehungskraft des Kerns auf das frei werdende Elektron und es muss weniger Energie aufgewendet werden für die Ionisation.

Element  1. Ionisierungsenergie  [eV]
Wasserstoff 13,5894
Lithium  5,3917
Natrium 5,1391
Kalium 4,3407
Rubidium  4,1771
Cäsium 3,8939
Ionisierungenergie - Verlauf im Periodensystem
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Ionisierungenergie – Verlauf im Periodensystem

Ionisierungsenergie in einer Periode mit Tabelle 

Der zweite wichtige Trend im Periodensystem ist: In einer Periode nimmt die Ionisierungsenergie von links nach rechts zu. Hier liegt das daran, dass die Kernladung zwar von links nach rechts immer um 1 positive Elementarladung pro Element zunimmt, jedoch nicht die Abschirmung der hinzukommenden Elektronen. Innerhalb einer Periode haben alle „neu“ hinzukommenden Elektronen dieselbe Hauptquantenzahl und sitzen in derselben Schale. Für diese Elektronen gilt nach den Slater Regeln, dass ihre Abschirmung der Kernladung deutlich weniger ausgeprägt ist, als die von den Elektronen, die in energetisch tiefer liegenden Schalen liegen. Daher kommt von links nach rechts mehr positive Kernladung hinzu, als von den neu hinzukommenden Elektronen abgeschirmt werden kann. Das Elektron spürt bei der Ionisierung also deutlich stärker die Kernladung. Daher muss mehr Energie aufwendet werden, um das Elektron vom Kern zu entfernen. 

Element:  Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon

1.Ionisierungsenergie                   [eV]

5,3197 9,322 8,298 11,260 14,534 13,618 17,422 21,564

Anhand der obigen Tabelle ist erkennbar, dass der Trend nur grob gilt. Ausnahmen gelten für die Elemente der 2 Hauptgruppe und der 5 Hauptgruppe. Hier ist die Ionisierungsenergie höher als sie eigentlich sein sollte. Das liegt daran, dass diese Elemente eine energetisch günstige Elektronenkonfiguration aufweisen, welche sie durch die Ionisation verlassen müssten.

Für die Elemente der zweiten Hauptgruppe ist beispielsweise die günstige Elektronenkonfiguration eine komplette Besetzung des s-Orbitals. Bei einer Ionisation würde diese „abgeschlossene Schale“ wieder aufreißen, daher der höhere Energiebeitrag. Für die Elemente der 5 Hauptgruppe ist es dagegen so, dass bei einem weiteren Auffüllen des p-Orbitals zu Spin-Pairing kommen würde, dass zusätzlich Energie kostet. 

Ionisierungsenergie Berechnen

Leider kann man die exakten Ionisierungsenergien nur über Experimente bestimmen oder über quantenchemische Rechnungen wie mit dem LCAO-Ansatz zugänglich machen. Allerdings lässt sich eine Näherung berechnen über die Slater Regeln. Mithilfe von diesen lässt sich die Abschirmung der Elektronen ausrechnen. Diese Abschirmung muss man anschließend von der Kernladung abziehen und man erhält die effektive Kernladung, die auf ein Elektron wirkt. Dann kann man auf das Elektron das Coloumbsche Gesetz anwenden:

F_c= \frac{Z_{eff}*e*(-e)}{r^2*4\pi*\epsilon_0}

F_c=Coloumb-Kraft, e=Elementarladung, r=Abstand vom Kern, Z_{eff}=effektive Kernladung, \epsilon= dielektrische Konstante

Diese resultierende Kraft musst du dann nur noch vom Kernabstand bis Unendlich integrieren und man erhält ein Näherungsergebnis für die Ionisierungsenergie. 

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