Що таке іонізація та як відбувається її процес

Що таке іонізація та як відбувається її процес (Photo: medXclusive Learning )

Дізнайтеся, що таке іонізація, як вона відбувається та які її позитивні та негативні наслідки для людини та навколишнього середовища.

Що таке іонізація

Іонні зв’язки, сполуки та тверді тіла

Говорячи про те, що таке іонізація, слід звернутися до історії її відкриття. Німецький хімік Річард Абегг (1869-1910), робота якого з газами призвела до відкриття правила октету, висунув гіпотезу про те, що атоми поєднуються один з одним, оскільки вони обмінюються електронами таким чином, що обидва закінчуються вісьмома валентними електронами. Це була рання модель іонного зв’язку, яка є результатом притягання між іонами з протилежними електричними зарядами: коли вони зв’язуються, ці іони „завершують” один одного.

Як зазначалося, іонні зв’язки виникають, коли метал зв’язується з неметалом, і ці зв’язки надзвичайно міцні. Сіль, наприклад, утворена іонним зв’язком між металевим натрієм (катіон +1) і неметалевим хлором, аніоном -1. Таким чином Na + з’єднується з Cl – з утворенням NaCl, або кухонної солі. Міцність зв’язку в солі відображається температурою плавлення 1472 ° F (800 ° C), що набагато вище, ніж у воді при 0 ° C (32 ° F).    

Що таке світло та які його властивості?

При іонному зв’язку два іони починаються з різними зарядами і закінчують утворенням зв’язку, в якому обидва мають по вісім валентних електронів. У ковалентному зв’язку, утвореному між неметалами, два атоми починаються так само, як і більшість атомів, із чистим зарядом нуля. Кожен з них має вісім валентних електронів, але жоден з них не володіє ними; швидше, вони поділяють електрони. Сьогодні хіміки розуміють, що більшість зв’язків не є ні суто іонними, ні чисто ковалентними; скоріше, існує широкий спектр гібридів між двома крайнощами. Ступінь притягання елементів один до одного залежить від електронегативності або відносної здатності атома притягувати валентні електрони.

Що таке іонізація (Photo: thinkairpurifiers.com)
Що таке іонізація (Photo: thinkairpurifiers.com)

Іонні складові

Сіль не лише утворюється за допомогою іонного зв’язку, але й є іонною сполукою, тобто сполукою, що містить щонайменше один метал і неметал, в якому присутні іони. 

Сіль також є прикладом іонної твердої речовини або кристалічної твердої речовини, що містить іони. 

Кристалічна тверда речовина – це тип твердого тіла, у якому складові частини розташовані у простому, певному геометричному візерунку, який повторюється у всіх напрямках. 

Існує три типи кристалічної твердої речовини: молекулярна тверда речовина (наприклад, сахароза або столовий цукор), в якій молекули мають нейтральний електричний заряд; атомна тверда речовина (алмаз, наприклад, чистий вуглець); і іонної твердої речовини.

Сіль не утворюється зі звичайних молекул, як вода або вуглекислий газ. (Обидві вони є молекулярні сполуки, хоча жодна з них не є твердою речовиною при кімнатній температурі.) Внутрішня структура солі може бути зображена у вигляді повторюваної серії хлорид -аніонів і катіонів натрію, упакованих тісно разом, як апельсини в ящику. Насправді, має сенс уявити їх у вигляді дині та апельсинів, упакованих разом, з більшими хлоридними аніонами у вигляді дині і меншими катіонами натрію у вигляді апельсинів.

Якби бакалейщик мав упакувати ці два фрукти разом у ящик, він, ймовірно, поклав би шар дині, а потім прослідкував за цим шаром апельсинів у проміжках між канталупами. Цей малюнок повторюватиметься, коли ящик буде упакований, а менші апельсини заповнять місця. Приблизно так само стосується того, як хлорові «дині» та натрієві «апельсини» упаковані разом у сіль.

Ця щільна упаковка позитивних і негативних зарядів сприяє утворенню міцної зв’язку, і тому сіль повинна бути нагріта до високої температури, перш ніж вона розплавиться. Тверда сіль не проводить електрику, але, розплавившись, вона робиться надзвичайно хорошим провідником. Коли він твердий, іони щільно упаковані, і, отже, немає свободи руху для перенесення електричного заряду; але коли структура порушується плавленням, рух іонів можливий.

Що таке іонізація електронним ударом (Photo: saltlamps.biz)
Що таке іонізація електронним ударом (Photo: saltlamps.biz)

Іонізація та іонізаційна енергія

Що таке іонізація води? Вода не є хорошим провідником, хоча вона, безумовно, дозволяє протікати через неї електричному струму, тому експлуатувати електричний прилад поблизу води небезпечно. Ми вже бачили, що сіль стає хорошим провідником при розплавленні, але цього також можна досягти, розчинивши її у воді. Це один із видів іонізації, який можна визначити як процес, при якому один або кілька електронів видаляються з атома або молекули для створення іону, або процес, при якому іонна тверда речовина, наприклад, сіль, дисоціює на складові іони після розчинення в розчині.

Кількість енергії, необхідної для досягнення іонізації, називається енергією іонізації або потенціалом іонізації. Коли атом знаходиться на нормальному енергетичному рівні, його називають основним. У цей момент електрони займають свої нормальні орбітальні структури. 

Між електроном і позитивно зарядженим ядром, де знаходяться протони, завжди існує високий ступінь притягання. Енергія, необхідна для переміщення електрона на більш високу орбітальну структуру, збільшує загальну енергію атома, яка, як кажуть, перебуває у збудженому стані.

Збуджений стан атома – це лише крок на шляху до його іонізації шляхом видалення електрона. “Крок” – це відповідна метафора, оскільки електрони не просто дрейфують уздовж континууму з одного рівня енергії на інший, так як людина плавно йде по пандусу. Скоріше, вони роблять дискретні кроки, як людина, що піднімається по сходах. Це один з ключових принципів квантової механіки, передової галузі фізики, яка також має численні застосування в хімії. Так само, як ми говоримо про раптову зміну як “квантовий стрибок”, електрони здійснюють квантові стрибки з одного енергетичного рівня на інший.

Через велике притягання між електроном і ядром перший електрон, який видаляється, знаходиться на зовнішній орбіталі, тобто на одному з валентних електронів. Ця кількість енергії називається першою енергією іонізації. Видалити другий електрон буде значно складніше, оскільки тепер атом є катіоном, а позитивний заряд протонів у ядрі більший за негативний заряд електронів. Отже, друга енергія іонізації, необхідна для видалення другого електрона, набагато вища, ніж перша енергія іонізації.

Що таке енергія іонізації

Якщо ви зацікавилися питання, що таке іонізація, то повинні звернути увагу на особливості її енергії.

Водень, оскільки має лише один електрон, має лише першу енергію іонізації. Загалом цифри енергії іонізації збільшуються зліва направо вздовж періоду чи рядка періодичної таблиці та зменшуються зверху вниз по стовпцю чи групі.

Причина збільшення енергії іонізації протягом певного періоду полягає в тому, що неметали з правого боку таблиці мають більші енергії іонізації, ніж метали з лівого боку. Енергії іонізації зменшуються уздовж групи, тому що елементи, розташовані нижче, мають більші атомні номери, що означає більше протонів і, отже, більше електронів. Тому їм легше відмовитися від одного зі своїх електронів, ніж для елемента з меншим атомним номером – так само, як мільйонеру було б легше втратити долар, ніж людині, яка отримує мінімальну заробітну плату.

Для молекул у сполуках енергія іонізації зазвичай пов’язана з енергією елементів, атоми яких складають молекулу. Так само, як елементи з меншою кількістю електронів, як правило, менш схильні відмовлятися від одного, так само як і молекули з кількома атомами. Таким чином, енергія іонізації двоокису вуглецю (CO 2 ), що містить всього три атоми, є відносно високою. І навпаки, у великих молекулах, як і з більшими атомами, відмовляється більше електронів, і тому легше відокремити один з них від молекул.  

Що таке енергія іонізації (Photo: Quora)
Що таке енергія іонізації (Photo: Quora)

Що таке іонізація на практиці

Процеси іонізації

Для отримання іонів для різних застосувань використовується ряд методів. Найпоширеніший з цих методів-електронний удар, отриманий шляхом бомбардування зразка газу потоком швидко рухаються електронів. 

Що таке іонізація електронним ударом

Хоча цей метод простіший, ніж деякі інші, цей метод не є особливо ефективним, оскільки він потребує більше енергії, ніж потрібно для видалення електрона. Електронна гармата, як правило, з нагрітим вольфрамовим дротом, виробляє величезну кількість електронів, які потім випускаються на газ. Оскільки електрони настільки малі, це швидше схоже на використання скорострільного кулемета для знищення комарів: майже неминуче, що деякі комарі потраплять під удар, але більшість патронів вистрілить у повітря, не влучивши ні в одну комаху.

Інший процес іонізації – це іонізація поля, при якій іонізація виробляється шляхом впливу дуже інтенсивного електричного поля. Іонізація поля відбувається в повсякденному житті, коли статична електрика накопичується в сухий день: маленька іскра, яка стрибає з кінчика пальця, коли ви торкаєтесь дверної ручки, насправді є потоком електронів. 

У іонізації, що застосовується в лабораторіях, використовуються тонкі, заточені дроти. Цей процес набагато ефективніший, ніж іонізація електронним ударом, використовуючи набагато менше енергії у порівнянні з тією, яка потрібна для видалення електронів. Оскільки він вкладає менше енергії у джерело іонів, батьківський іон, його часто використовують, коли необхідно не пошкодити іонізований зразок.

У хімічній іонізації використовується метод, подібний до іонізації електронним ударом, за винятком того, що замість електронів для бомбардування та іонізації зразка використовується промінь позитивно заряджених молекулярних іонів. Іони, які використовуються при цьому бомбардуванні, зазвичай є невеликими молекулами, такими як метани, пропан або аміак. Тим не менш, молекулярний іон набагато більший за електрон, і ці зіткнення мають високу реакцію, проте вони мають тенденцію бути набагато ефективнішими, ніж іонізація електронним ударом. 

Іонізація також може забезпечуватися електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі коротшою, ніж у видимого світла, тобто ультрафіолетовим, рентгенівським або гамма -випромінюванням. Цей процес, званий фотоіонізацією, може іонізувати невеликі молекули, такі як молекули кисню (O 2 ). Фотоіонізація відбувається у верхніх шарах атмосфери, де ультрафіолетове випромінювання Сонця викликає іонізацію кисню та азоту (N 2 ) у їх молекулярних формах.    

На додаток до цих інших процесів іонізації, іонізацію можна отримати досить простим способом, піддаючи атоми або молекули впливу тепла від полум’я. Температура, однак, повинна бути в кілька тисяч градусів, щоб бути ефективною, і тому зазвичай використовуються спеціалізовані полум’я, такі як електрична дуга, іскра або плазма.

Масова спектометрія

Ряд методів іонізації, описаних вище, використовуються в мас-спектрометрії, засобі отримання інформації про структуру та масу атомів або молекул. У мас -спектрометрії іонізовані частинки прискорюються по кривому шляху через електромагнітне поле. Поле буде прагнути відхиляти швидше легші частинки від кривої, ніж важчі. До того моменту, коли частинки досягнуть детектора, який вимірює співвідношення між масою і зарядом, іони будуть розділені на групи відповідно до їх відповідних співвідношень маса-заряд.

Коли молекули піддаються мас -спектрометрії, відбувається фрагментація. Кожна молекула розпадається характерним чином, і це дає можливість кваліфікованому спостерігачеві інтерпретувати масовий спектр утворених частинок. Мас -спектрометрія використовується для встановлення значень енергії іонізації, а також для визначення маси речовин, коли ця маса невідома. Її також можна використовувати для визначення хімічного складу речовини. Мас-спектрометрія застосовується хіміками не тільки в чистому дослідженні, але й у сферах навколишнього середовища, фармацевтики та криміналістики (розкриття злочинів). Хіміки нафтових компаній використовують його для аналізу вуглеводнів, так само як і вчені, які працюють у областях, які потребують аналізу аромату.

Процес заміни одного іона іншим з подібним зарядом називається іонним обміном. Коли іонний розчин – наприклад, розчинена у воді сіль – контактує з твердою речовиною, що містить іони, які лише слабо зв’язані в межах своєї кристалічної структури, можливий іонний обмін. Протягом усього обміну зберігається електрична нейтральність: іншими словами, загальна кількість позитивних зарядів у твердому тілі та розчині дорівнює загальній кількості негативних зарядів. Єдине, що змінюється, – це тип іону у твердому тілі та у розчині.

Іонний обмін

Існують природні іонообмінники, такі як цеоліти, клас мінералів, що містять алюміній, кремній, кисень і слабо утримуваний катіон лужного або лужноземельного металу (група 1 та група 2 таблиці Менделєєва, відповідно). Коли цеоліт поміщають в іонний розчин, відбувається обмін між слабко утримуваним катіоном цеоліту та розчиненим катіоном. У синтетичних іонообмінниках, що використовуються в лабораторіях, заряджена група прикріплена до жорсткої конструкції. Один кінець зарядженої групи назавжди закріплений на каркасі, тоді як позитивно чи негативно заряджена частина, яка залишається вільною на іншому кінці, притягує інші іони в розчині.

Смоли та напівпроникні мембрани

Аніонні та катіонні смоли є твердими матеріалами, але в аніонній смолі позитивні іони щільно зв’язані, а негативні – слабко. Негативні іони будуть обмінюватися з негативними іонами у розчині. Зворотне стосується катіонної смоли, в якій негативні іони міцно зв’язані, тоді як слабкозв’язані позитивні іони обмінюються з позитивними іонами у розчині. Ці смоли мають застосування у наукових дослідженнях, де їх використовують для виділення та збирання різних типів іонних речовин. Вони також використовуються для очищення води шляхом видалення всіх іонів.

Напівпроникні мембрани – це природні або синтетичні матеріали, здатні вибірково дозволяти або уповільнювати проходження заряджених і незаряджених молекул через їх поверхні. У клітинах живих істот напівпроникні мембрани регулюють баланс між катіонами натрію та калію. Нирковий діаліз, який видаляє шкідливі відходи з сечі пацієнтів з нирками, які не функціонують належним чином, є прикладом використання напівпроникних мембран для очищення великих іонних молекул. Коли морська вода очищається шляхом видалення солі, або інакше небезпечна вода звільняється від домішок, вода пропускається через напівпроникну мембрану в процесі, відомому як зворотний осмос.

Іонізуюче випромінювання

Що таке іонізація в плані корисності та небезпеки, яку вона може нести в собі?

Ми спостерігали низку способів, якими іонізація є корисною і справді частиною природи. Але іонізуюче випромінювання, яке викликає іонізацію речовини, через яку воно проходить, надзвичайно шкідливе. Слід зазначити, що не вся радіація є нездоровою: адже Земля отримує тепло і світло від Сонця за допомогою випромінювання. Іонізуюче випромінювання, з іншого боку, – це вид радіації, пов’язаний з радіоактивними відходами ядерної війни та з такими ядерними катастрофами, як, наприклад, Чорнобиль у колишньому СРСР у 1986 році.

Тоді як теплове випромінювання Сонця може бути шкідливим, якщо людина перебуває на ньому занадто довго, іонізуюче випромінювання набагато сильніше і включає набагато більшу кількість енергії, що відкладається на площу в секунду. При іонізуючому випромінюванні іонізуюча частинка вибиває електрон з атома або молекули живої системи (тобто людини, тварини чи рослини), звільняючи електрон. Молекула, що залишилася, стає вільним радикалом, сильно реакційною групою атомів з неспареними електронами. Вони можуть породити інші вільні радикали, викликаючи хімічні зміни, які можуть спричинити рак та генетичні пошкодження.

Джерело: http://www.scienceclarified.com

Подібні новини