In der Chemie ist oft von Ionen und Atomen die Rede. Der Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen ist, dass Ionen die geladene Form von Atomen sind. Um diesen Zustand zu erreichen, muss mindestens ein Elektron entfernt (oder hinzugefügt) werden. Doch das geht nicht ohne Weiteres.
Stell dir vor, Du willst einen frischen Apfel vom Baum pflücken. Damit das klappt, musst Du ein wenig am Apfel ziehen, um ihn vom Zweig zu lösen. Genauso wie zum Apfelpflücken muss auch zum Entfernen des Elektrons aus einem Atom Energie aufgebracht werden.
Ionisierungsenergie – Definition
Als Ionisierungsenergie wird die Energie bezeichnet, die dafür nötig ist, ein Elektron aus einem Atom zu lösen. Das betrachtete Atom muss sich dafür in der Gasphase befinden.
Um die Ionisierungsenergie richtig einordnen zu können, findest Du im Folgenden zunächst ein paar Hintergrundinfos.
Ionisierungsenergie – Energie Bedeutung
Energie ist eine Größe, die angibt, wie viel Arbeit verrichtet werden kann oder muss.
Wenn Du etwa im Alltag sagst, dass Du sehr viel Energie hast, meinst Du höchstwahrscheinlich, dass Du hohe Leistungen erbringen kannst, zum Beispiel beim Sport.
Betrachte Energie daher als einen Arbeitsaufwand, der immer dann aufgebracht werden muss, wenn etwas bewegt wird. Das gilt auch für Elektronen.
Was genau bewirkt dann aber die Ionisierungsenergie – jene Energie, die aufgebracht wird, um ein Element zu ionisieren?
Ionisierungsenergie – Ionisierung Bedeutung
Jedes Element besteht aus Atomen, die genauso viele Protonen wie Elektronen haben. Die positiven und negativen Ladungen der Protonen sowie Elektronen gleichen einander aus und das betreffende Atom ist somit insgesamt ungeladen. Sprich: es hat keine Ladung.
Wenn die Anzahl der Elektronen und Protonen in einem Atom ungleich ist, hat es eine Ladung. Ein geladenes Atom wird auch Ion genannt. Als Ionisierung wird daher der Prozess bezeichnet, bei dem ein Elektron aus einem Atom entfernt wird, um es zu einem Ion zu machen.
Hat ein Ion mehr Elektronen als Protonen und ist negativ geladen, wird es Anion genannt. Bei weniger Elektronen als Protonen ist hingegen positiv geladen und wird als Kation bezeichnet. Bei der Ionisierung entsteht daher ein Kation.
Ionisierungsenergie – Ionisierung Möglichkeiten
Um ein Elektron aus einem zu Atom entfernen und es damit zu ionisieren, gibt es mehrere Möglichkeiten. Die wohl wichtigsten sind Photoionisation und Stoßionisation.
Bei der Photoionisation wird das Atom mit kurzwelligem Licht bestrahlt. Die in dem Licht enthaltene Energie wird von dem zu entfernenden Elektron aufgenommen. Sie dient als Ionisierungsenergie und regt das Elektron an, sodass es sich aus der Elektronenschale löst.
Licht ist im Grunde nichts anderes als elektromagnetische Strahlung. Die Energie, die im Licht enthalten ist, kann auf ihre Wellenlänge zurückgeführt werden. Über diese Zusammenhänge erfährst Du mehr in der Erklärung elektromagnetische Strahlung aus dem Fach Physik.
Was genau es mit den Elektronenschalen auf sich hat, kannst Du übrigens in der Erklärung zum Orbitalmodell nachschlagen.
Bei der Stoßionisation hingegen wird ein Teilchen mit hoher Geschwindigkeit auf ein Atom geschossen, wo es auf das zu entfernende Elektron stößt. Die Bewegungsenergie des geschossenen Teilchens wird als Ionisierungsenergie auf das Elektron übertragen, sodass es sich aus der Elektronenschale löst.
Das beschleunigte Teilchen kann ein weiteres Elektron, ein Atom oder ein Ion sein.
Ionisierungsenergie berechnen
Wenn ein Versuch durchgeführt wird, bei dem ein Atom ionisiert werden soll, sollte vorher die Ionisierungsenergie des betroffenen Elements bekannt sein. Nur so kann eine erfolgreiche Ionisierung gewährleistet werden. Für die Ermittlung der Ionisierungsenergie gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Ionisierungsenergie Tabelle
Die einfachste Möglichkeit zur Ermittlung der Ionisierungsenergie, ist, eine Tabelle zurate zu ziehen, in die schon alle bekannten Ionisierungsenergien eingetragen sind. Dabei ist es wichtig, zu wissen, das wievielte Elektron entfernt werden soll.
In der nachfolgenden Tabelle findest Du die Ionisierungsenergie für die Herauslösung des ersten Elektrons aller Hauptgruppen-Elemente.
| Ordnungszahl | Element | Ionisierungsenergie [eV] | Ordnungszahl | Element | Ionisierungsenergie [eV] |
| 1 | Wasserstoff | 13,60 | 33 | Arsen | 9,79 |
| 2 | Helium | 24,59 | 34 | Selen | 9,75 |
| 3 | Lithium | 5,39 | 35 | Brom | 11,81 |
| 4 | Beryllium | 9,32 | 36 | Krypton | 14,00 |
| 5 | Bor | 8,30 | 37 | Rubidium | 4,18 |
| 6 | Kohlenstoff | 11,26 | 38 | Strontium | 5,69 |
| 7 | Stickstoff | 14,53 | 49 | Indium | 5,79 |
| 8 | Sauerstoff | 13,62 | 50 | Zinn | 7,34 |
| 9 | Fluor | 17,42 | 51 | Antimon | 8,61 |
| 10 | Neon | 21,56 | 52 | Tellur | 9,01 |
| 11 | Natrium | 5,14 | 53 | Iod | 10,45 |
| 12 | Magnesium | 7,65 | 54 | Xenon | 12,13 |
| 13 | Aluminium | 5,99 | 55 | Caesium | 3,89 |
| 14 | Silikon | 8,15 | 56 | Barium | 5,21 |
| 15 | Phosphor | 10,49 | 81 | Thallium | 6,11 |
| 16 | Schwefel | 10,36 | 82 | Blei | 7,42 |
| 17 | Chlor | 12,97 | 83 | Bismut | 7,29 |
| 18 | Argon | 15,76 | 84 | Polonium | 8,42 |
| 19 | Kalium | 4,34 | 85 | Astat | 9,32 |
| 20 | Calcium | 6,11 | 86 | Radon | 10,75 |
| 31 | Gallium | 6,00 | 87 | Francium | 4,07 |
| 32 | Germanium | 7,90 | 88 | Radium | 5,28 |
Ionisierungsenergie Einheit
Die Ionisierungsenergie wird in der Einheit eV, sprich "Elektronenvolt" und pro Atom angegeben. Womöglich kennst Du die Einheit J für Joule, die normalerweise für Energieangaben benutzt wird. Die Einheiten eV und Joule lassen sich ineinander umrechnen, beide sind eine Einheit für die Energie und können daher für die Angabe der Ionisierungsenergie genutzt werden. Dabei gilt folgende Beziehung:
$$1\,\text {eV}=1,6022\cdot10^{-19}\,\text J$$
Das Elektronenvolt ist also eine sehr kleine Energieeinheit. Durch Gebrauch der Einheit eV statt des J ergeben sich für die Ionisierungsenergie leichter zu lesende Zahlen.
Im Folgenden siehst Du die Ionisierungsenergie von Beryllium in zwei verschiedenen Einheiten:
- \(9,32\,\text{eV}\)
- \(1,493\cdot10^{-18}\,\text{J}\)
Anstatt die Ionisierungsenergie für ein einzelnes Atom anzugeben, kann auch die Ionisierungsenergie von einem ganzen Mol Atome eines Elements dargestellt werden.
In 1 Mol ist eine Menge von \(6,022 \cdot 10^{23}\) Teilchen bzw. Atomen enthalten. Diese Zahl wird auch als Avogadro-Konstante NA bezeichnet.
Dabei wird folgende Umrechnung verwendet:
$$1 \text {eV}=96,485\,\frac{\text {kJ}}{\text {mol}}$$
Um 1 mol Beryllium-Atome zu ionisieren, benötigt man folgende Ionisierungsenergie:
$$ \begin {align} &6,022 \cdot 10^{23}\cdot 9,32\,\text{eV} \approx 56,12\cdot 10^{23} \,\text{eV} \\ \text {oder}\qquad &1\,\text{mol}\cdot 96,485 \,\frac{\text{kJ}}{\text{mol}} \cdot 9,32\,\text{eV} \approx 899,24 \,\text{kJ} \end{align} $$
Ionisierungsenergie Formel
Solltest Du gerade keine Tabelle mit den Ionisierungsenergien zur Hand haben, kannst Du sie auch berechnen. Für die Berechnung der Ionisierungsenergie muss zunächst ermittelt werden, wie stark das Elektron vom Atomkern angezogen wird, denn diese Anziehung muss überwunden werden. Die Anziehung kann mithilfe der Formel für die Coulomb-Kraft dargestellt werden:
$$ F=k_\text C \cdot \frac{Z_\text e \cdot (-e)}{r^2} $$
- \(Z\): Ordungs-/ Kernladungszahl
- \(e\): Elementarladung
- \(r\): Abstand des Elektrons vom Kern
- \(k_\text C\): Coulomb-Konstante \(\approx 8,988\frac{\text{kg m}^3}{\text s^4 \text A^2}\)
Die Elementarladung bezeichnet die Ladung, die ein Elektron oder ein Proton haben können. Da es in dieser Formel um die Anziehung des Elektrons geht – und Elektronen negativ geladen sind – hat das e ein Minus als Vorzeichen.
Die Kraft, die für die Loslösung des Elektrons aufgebracht werden muss, ist allerdings nicht dieselbe wie die dafür benötigte Energie – oder genauer gesagt, die Ionisierungsenergie.
Zur Umrechnung von Kraft zur Energie kann normalerweise folgende Beziehung verwendet werden:
$$E=F\cdot s$$
- \(s\): Strecke
- \(E\): Energie
Diese Formel besagt also, dass die Energie der Kraft entspricht, die über eine bestimmte Strecke auf ein Objekt wirkt.
Um ein Objekt mit einer Kraft von 2000 N über einen 2 m breiten Weg zu schieben, musst Du eine Energie von \(5000\,\text N \cdot 2\,\text m =10000\,\text J\) schieben.
Bei der Nutzung dieses Zusammenhangs kommt allerdings ein Problem auf: Die Stärke der Coulomb-Kraft ändert sich mit dem Abstand, den das Elektron zum Kern hat. Theoretisch müsste man zur Berechnung der Ionisierungsenergie daher die Energien für jede einzelne Position ausrechnen, die das Elektron einnimmt, während man es vom Kern entfernt und die anfallenden Energien addieren. Das wären unendlich viele Zahlen.
Daher muss die Coulomb-Kraft über die Strecke integriert werden, die das Elektron zurücklegt, wenn man es aus seiner Position im Atom entfernt – eine Integration von der Ursprungsposition bis unendlich.
Die Berechnung der Ionisierungsenergie führt trotzdem nur zu Näherungen. Um daher exakte Werte zu erhalten – wie Du sie in der Werte-Tabelle der Ionisierungsenergie siehst – muss ein anderer Ansatz gewählt werden: die Ionisierungsenergie zu messen.
Dabei wird ein Atom ionisiert und die Energie gemessen, die aufgebracht werden muss, bis sich das erste Elektron vom Atom löst.
Ionisierungsenergie Periodensystem
Was kannst Du allerdings tun, wenn Du gerade keine Tabelle mit Werten für die Ionisierungsenergie, einen Rechner oder ein Gerät zur Messung der Ionisierungsenergie zur Hand hast? Für einen solchen Fall kann man auch das Periodensystem benutzen, um annähernd herauszufinden, wie hoch die Ionisierungsenergie eines Elements im Gegensatz zu einem anderen Element ist.
Dabei stellst Du folgende Regelmäßigkeit fest: Die Ionisierungsenergie sinkt im Periodensystem innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten und steigt innerhalb einer Periode von links nach rechts.
Die Abnahme der Ionisierungsenergie innerhalb der Hauptgruppe lässt sich mit dem Bohrschen Atommodell erklären.
Das Bohrsche Atommodell beschreibt den Aufbau eines Atoms als positiven Kern mit negativ geladenen Elektronen, die den Kern in bestimmten Abständen (den Laufbahnen) umkreisen. Mit jeder Periode des Periodensystems kommt eine weitere Laufbahn hinzu, die weiter vom Kern entfernt ist.
Da die äußersten Elektronen mit jeder Periode ein wenig weiter vom Kern entfernt sind, sinkt auch die Anziehungskraft, die der Kern auf sie ausübt. Sie sitzen also "lockerer" und sind einfacher zu entfernen – die nötige Ionisierungsenergie ist niedriger.
Innerhalb einer Periode ist der Abstand der äußeren Elektronen zum Kern gleich, die positive Ladung des Kerns steigt allerdings von links nach rechts. Auf die Elektronen wird also mit höherer Hauptgruppe eine immer höhere Anziehungskraft ausgeübt. Innerhalb einer Periode ist daher von links nach rechts eine immer höhere Ionisierungsenergie nötig, um die Elektronen zu lösen.
Ionisierungsenergie – Das Wichtigste
- Die Ionisierungsenergie gibt an, wie viel Energie nötig ist, um ein Elektron aus der Außenschale eines Atoms zu entfernen und das Atom damit zu ionisieren.
- Ionisierungsenergie Einheit: Die Ionisierungsenergie eines Atoms wird üblicherweise in eV (Elektronenvolt) angegeben.
- Ionisierungsenergie Tabelle: In einer Tabelle lassen sich Ionisierungsenergien für verschiedene Elemente ganz einfach ablesen.
- Ionisierungsenergie berechnen: Mithilfe der Coulomb-Kraft und ihrer Integration vom Kernabstand bis zur Unendlichkeit lässt sich die Ionisierungsenergie eines Atoms berechnen.
- Ionisierungsenergie Formel: Um Tendenzen der Ionisierungsenergie an einem Periodensystem abzulesen, gibt es eine ganz einfache Formel: Die Ionisierungsenergie steigt innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten und innerhalb einer Periode von links nach rechts.
Nachweise
- physics.nist.gov: NIST Atomic Spectra Database. (17.11.2022)
- Ira N. Levine (2014). Quantum Chemistry. Pearson.
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