我們已經學會

軌域填入電子的三個定理原則

也學會不同元素的電子組態了

而且也知道電子組態與元素

位於週期表上的位置之間的關係

但一個元素的電子組態

是否可用科學實驗上的

證據加以證明呢？

游離能即是一個相當有力的證據喔

讓我們一起看看什麼是游離能

什麼是游離能呢？

游離能的定義為：

將基態氣相的原子或離子中

移去束縛力最弱的一顆電子

所需的能量稱為游離能

游離能的單位通常表示為

千焦/莫耳

當移去第一個電子所需的能量

稱為第一游離能

或以IE1表示

移去第二個電子所需的能量

稱為第二游離能

或以IE2表示

那游離能怎麼測量出來呢？

基本上我們需要一個中空陰極管

將待測元素放到中空陰極管中

並且加熱使其汽化

慢慢的提高正極與負極之間的電壓

並且仔細觀察電流大小

當有電流開始增加時

即代表電子被大量吸引出來

再利用兩線段交點的方法

推測出最初電子釋放出來的

游離電位

此游離電位對應之能量即為游離能

我們先來看看前20個元素的

第1到6游離能

以第二週期元素而言

仔細觀察我們可發現同一元素的

游離能會依序增加

但到某一個游離能時

會突然增加很大的倍數

且第三週期又會再重覆一次

這些數值在哪裡呢？

我們將突然變大的數值圈出來

再仔細思考一下

這些突然變大的數值與

每個元素的電子組態的

關係是什麼呢？

我們把每個元素以紅色的線條

畫出一個明顯的分界

可以發現紅色線條前

即為該原子的價電子數

換句話來說

當最外層的價電子被移除完畢之後

再來就會牽涉到要移除

內層惰性氣體電子組態的電子

此時就得付出很大的能量代價

所以在游離能

突然增加很大的倍數前

看看可移除幾個電子

此即為該原子的價電子數

以鹼金族元素而言

原子半徑與第一游離能的

大小彙整如表所示

由此可知當同族元素原子

原子半徑隨週期數增加而增加

但游離能會因

價電子主量子數變大

導致價電子與原子核的距離變遠

因此受到原子核束縛的力量也減弱

所以第一游離能亦會減小

再來試比較原子序

由1到20各原子第一游離能與

電子組態間的關係

以數字來看游離能比較

不容易看出他們之間的關係

但如果我們可以

將這些數字整理成圖表

會比較容易理解

看到這一張圖表的第一印象即是

惰性氣體元素氦、氖、氬

與同週期的其他元素比較起來

擁有最大的第一游離能

鹼金族元素鋰、鈉、鉀與其他

同週期的元素比較起來

擁有最小的第一游離能

而且從這裡亦可觀察到

同族元素中擁有愈大的半徑

其第一游離能會愈小

再來我們開始從第一週期

討論第一游離能的大小關係

第一週期僅有氫原子與氦原子

氫原子僅有一個電子

故僅有第一游離能

其第一游離能為1312千焦/莫耳

恰符合波耳氫原子模型中

將氫原子的電子由基態激發至

脫離氫原子束縛時所需的能量

而氦原子為最小的惰性氣體

所以擁有整張週期表裡面

最大的第一游離能

第二週期元素的第一游離能比較

我們可發現整體趨勢慢慢增加

但有幾個地方會突然降低

為什麼游離能的

整體趨勢會慢慢增加呢？

同學們是否還記得

同一週期的元素其半徑會

隨原子序增加而減小

因為原子半徑縮小

所以游離能亦會慢慢的增加

不過這無法解釋為什麼

硼與氧原子會游離能降低

我們得仔細的回想一下

這些原子的價電子組態

由電子組態可發現惰性氣體因為

價電子組態全滿

所以下一週期的鹼金族原子的

第一游離能就特別低

相同的道理也可以在

s軌域全滿的身上發現

鹼土金屬s軌域全滿

對同週期s軌域全滿p軌域

多一個電子的硼及鋁來說

第一游離能也比同週期

鹼土金屬原子來得小

相同的道理也可以在p軌域

半滿與半滿多一個電子的

元素身上發現

p軌域半滿的氮族元素與半滿

多一個的氧族元素可發現

同週期氧族元素的第一游離能

均比氮族元素第一游離能來得小

如果將原子序1到20

第二游離能的數值

亦繪製成圖表與第一游離

擺在一起比較可以發現

除了如前面所述同一元素的

第一游離能皆小於第二游離能外

亦可發現第二游離能的趨勢

與第一游離能的趨勢極為相近

僅往右平移一個原子序而已

我們可以試著由電子組態

來思考這件事情

當原子序1到20某一元素

失去一個電子時

他的電子組態是不是

會跟前一原子序元素基態

電子組態相同呢

所以游離能亦有相同的趨勢喔

試排列出下列各小題

原子游離能的大小關係

你答對了嗎？

除了答對之外

也要試著練習說明原因喔

同學們這一個單元

你是否都學會了呢？

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我們下次見