Ionisierungsenergie

Wenn du in der Chemie zum Periodensystem lernst, triffst du zum Beispiel im Zusammenhang mit der Oktettregel und den Kationen auch auf die Ionisierungsenergie.

In diesem Artikel helfen wir dir dabei zu verstehen was die Ionisierungsenergie ist, in welcher Einheit sie dargestellt wird und in welchem Bezug sie zum Periodensystem steht.

Was ist die Ionisierungsenergie?

Um ein Elektron von einem Atom oder einem Molekül in der Gasphase zu trennen wird Energie benötigt. Bei diesem Vorgang spricht man auch davon ein Atom oder Molekül zu ionisieren. Die benötigte Energie zur Entfernung des Elektrons aus der Valenzschale eines Atoms bezeichnet man als Ionisierungsenergie. Erzeugt wird diese Energie entweder chemisch, durch Strahlung, oder durch eine hohe Temperatur.

Der Hintergrund der Ionisierungsenergie

Jedes Element benötigte eine unterschiedlich starke Ionisierungsenergie, um ein Elektron vom Atom zu entfernen. Wie stark die Ionisierungsenergie für ein Element ausfällt lässt sich durch die Oktettregel einschätzen, da alle Elemente eine Elektronenkonfiguration und eine voll besetzte Valenzschale zur Stabilität anstreben.

Wenn ein Element durch die Abgabe eines Elektrons einen energetisch besseren Zustand erreichen kann, ist die Ionisierungsenergie des Elements niedrig. Bei einem Element, welches dagegen bereits einen guten energetischen Zustand besitzt, ist die Ionisierungsenergie hoch und der Aufwand das Elektron vom Atom zu entfernen entsprechend schwieriger.

Die Auswirkungen der Ionisierungsenergie

Durch den Einsatz der Ionisierungsenergie entwickelt ein elektrisch neutrales Atom oder Molekül eine positive elektrische Ladung. Dies kommt dadurch zustande, dass zuvor eine ausgeglichene Ladung zwischen Atomkern und Elektronenhülle bestand.

Nach der Entfernung eines Elektrons durch die Ionisierungsenergie wird das Atom (beziehungsweise das Molekül) als positiv ionisiertes Atom/Molekül oder als Kation bezeichnet. Bei den Elementsymbolen wird ein Kation durch ein hochgestelltes + Zeichen dargestellt, z.B. Al⁺.

Bei einem Kation, welches immer noch Elektronen besitzt, kann die Ionisierungsenergie weiterhin eingesetzt werden. Die Energie, die für die Entfernung der Elektronen benötigt wird, nimmt jedoch mit jeder weiteren Elektronenentfernung zu. Um den mehrfachen Einsatz der Ionisierungsenergie bei einem Kation darzustellen, wird die jeweilige Zahl vor das + Zeichen gesetzt, zum Beispiel Al³⁺.

Die Einheit der Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie für ein einzelnes Elektron wird in angegeben. eV bezeichnet eine Einheit der Energie namens Elektronenvolt. Die Ionisierungsenergie für ein Mol Stoffmenge wird dagegen in angegeben (). Die Einheit Joule wird heute für alle Energieformen verwendet.

Die Berechnung der Ionisierungsenergie

Die benötigte Ionisierungsenergie für die erste Ionisierung wird durch die Coulomb-Formel berechnet und hängt von der Anziehungskraft zwischen dem Atomkern und dem entsprechenden Elektron ab.

Die Coulomb Formel lautet:

• Z: Ordnungs- beziehungsweise Kernladungszahl

• e: Elementarladung

• r: Abstand des Elektrons vom Kern

• : Coulomb-Konstante

Mit höherer Protonenzahl im Kern steigt die Ionisierungsenergie, während mit der Entfernung vom Kern die Ionisierungsenergie sinkt. Diese Bindungsenergie wird nach dem Bohrschen Atommodell berechnet.

Die Ionisierungsenergie im Periodensystem

Innerhalb des Periodensystems lässt sich die Ionisierungsenergie anhand der Positionen der Elemente feststellen.

Die Ionisierungsenergie steigt im Periodensystem in einer Periode unstetig aber stark an. Da die Kernladungszahl in der Periode und damit auch die Anziehung der Elektronen durch den Kern ansteigt, wird mehr Ionisierungsenergie benötigt, um das Elektron vom Atom oder Molekül zu entfernen.

Innerhalb einer Periode nimmt zwar auch die Elektronenzahl in der Hülle zu, jedoch befindet sich das zu entfernende Elektron auf der Außenschale und kann somit nicht von den anderen Elektronen vor der Kernladung abgeschirmt werden. Trotz der Zunahme der Ladung der Elektronenhülle kann die Zunahme der Kernladung also nicht kompensiert werden. Damit nimmt die Ionisierungsenergie in der Periode zu.

Abbildung 1: Verhältnis der Ionisierungsenergie im Periodensystem

Das die Ionisierungsenergie in der Periode nur unstetig ansteigt wird besonders beim Übergang von Stickstoff zum Sauerstoff deutlich. Hierbei nimmt die Ionisierungsenergie von links nach rechts ab. Der Grund hierfür lässt sich aus dem Atomorbitalmodell ablesen, zum Beispiel am Element Stickstoff.

Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie von oben nach unten ab, da sich der Abstand des zu entfernenden Elektrons vom Kern vergrößert. Es muss weniger Ionisierungsenergie aufgewandt werden um das Elektron vom Atom zu entfernen z.B. bei den Erdalkalimetallen:

Abbildung 2: Verhältnis der Ionisierungsenergie im Periodensystem

Ionisierungsenergie – Alles wichtige auf einen Blick

• Ionisierungsenergie ist die Energie die benötigt wird um ein Elektron von einem Atom oder einem Molekül zu trennen

• Durch den Einsatz der Ionisierungsenergie entwickelt ein elektrisch neutrales Atom oder Molekül eine positive elektrische Ladung

• Das Atom nach der Ionisierung wird auch als Kation bezeichnet

• Auch eine mehrfache Ionisierung eines Atoms ist möglich

• Die Ionisierungsenergie wird in eV/Atom oder kJ/mol angegeben

• Die Ionisierungsenergie für die erste Ionisierung wird durch die Coulomb-Formel berechnet

• Die Ionisierungsenergie steigt im Periodensystem in einer Periode unstetig aber stark an

• Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie von oben nach unten ab