イオン化エネルギー

概要

「イオン化エネルギー」とは、粒子から電子を引っこ抜くのに必要なエネルギーのこと。原子内では原子核と電子がクーロン力で引き合っており、この力に逆らって電子を取り去るのに外から加える必要があるエネルギーがイオン化エネルギーです。

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ちなみに(気体状態の)原子から1個目の電子を取り去るときを第1イオン化エネルギー、2個目を取り去るときを第2イオン化エネルギー、3個目を...と順に呼びます。

イオン化エネルギーは、"陽イオン化に必要なエネルギー"です。クーロン力で原子核にへばりつく電子を引き剥がすには外からエネルギーを加える必要があります。つまりイオン化エネルギーを加えることで電子を引き剥がし原子を陽イオンにできるというわけです。

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イオン化エネルギーが大きいほど陽イオンになりにくく、逆に小さいほど陽イオンになりやすいです。小さな努力で電子を引き剥がせるなら陽イオンになりやすいのも納得ですね。

周期表の右上の元素ほどイオン化エネルギーが大きい傾向にあります。つまりたとえば周期表右側のハロゲンは陽イオンになりにくく、左側のアルカリ金属は陽イオンになりやすいと言えます。

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理由は主に2つです。少しだけクーロン力に関する物理の知識が必要ですが、生物選択の人でも十分理解できるはずです。

1つ目は、同じ周期の元素であれば周期表の右側ほど陽子数が多く原子核の電荷が大きいからです。原子核の電荷が大きいと周りの電子を引っ張るクーロン力が大きくなり、電子を引き剥がすのに余計にエネルギーが必要になるからです。

2つ目は、同じ族の元素であれば周期表の上側ほど原子半径が小さいからです。磁石は近づければ近づけるほどくっつきやすいのと同様、電荷のプラスマイナスも近いほど強く引き合います。原子核と最外殻電子の距離が近い周期表上側の元素ほどクーロン力が大きくなります。

ちなみに、横軸を原子番号、縦軸をイオン化エネルギーとしたグラフは以下の通り。

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たとえば同じ第2周期の〜で徐々に大きくなります。また第2周期と第3周期を見比べると、周期表で下にある第3周期の方が全体的にエネルギーが小さいです。なぜかちょっとグラフがギザギザしていることにつっこんではいけません(*注1)。

似た概念に「電子親和力」があります。電子親和力は粒子が電子を受け取るときに放出するエネルギーのことです。イオン化エネルギーは電子を抜き去るときに外部から加える必要があるエネルギー、電子親和力は電子を受け渡したときに内部から放出されるエネルギーなので真逆の概念です。

(*注1)これには大学の化学で勉強する「軌道」という概念が関わってきます。どうしても気になっちゃう人はヨビノリたくみさんの動画など(まだokedouにないからYouTubeで検索！)で勉強してみよう。
似た言葉に「イオン化傾向」があります。イオン化エネルギーは気体状態の単原子に定義されますが、イオン化傾向は溶液中での反応性を考えるためのものです。