Ionisierungsenergie

Ionisierungsenergie – Definition

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Anstatt die Ionisierungsenergie für ein einzelnes Atom anzugeben, kann auch die Ionisierungsenergie von einem ganzen Mol Atome eines Elements dargestellt werden.

Dabei wird folgende Umrechnung verwendet:

$$1 \text {eV}=96,485\,\frac{\text {kJ}}{\text {mol}}$$

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 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.

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.

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.

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.