Energía de ionización o potencial de ionización

Las fuerzas atractivas ejercidas por el núcleo sobre los electrones son las que mantienen a éstos unidos en un átomo, por lo que es necesario consumir energía para extraerlos. Los electrones unidos con menor fuerza son los de la capa más externa (electrones de valencia). Hay átomos a los que es relativamente fácil arrancar electrones; pero hay otros para los que es necesario gastar una considerable cantidad de energía.

Se denomina energía de la primera ionización a la necesaria para separar el electrón menos fuertemente unido de un átomo en estado gaseoso y desde su estado fundamental.

La energía de ionización corresponde a la variación de energía que tiene lugar en el proceso:

donde M representa un átomo de cualquier elemento.

La pérdida de un electrón transforma al átomo en un ion con una carga positiva. Por ejemplo:

Se llama segunda energía de ionización a la que se necesita para extraer, de este ion, el electrón menos fuertemente unido. Análogamente se pueden definir las energías de ionización tercera, cuarta, etc., de los átomos capaces de ionizarse en este grado.

Los valores de las energías de ionización están determinados, principalmente, por cuatro características interdependientes:

1. La carga que tiene el núcleo.
2. El grado en que esta carga está compensada por los electrones situados en capas internas por debajo de aquella de la que se está extrayendo el electrón; es decir, el efecto de pantalla de las capas electrónicas internas.
3. El radio del átomo.
4. La naturaleza del nivel energético.

En realidad, los factores 1 y 2 pueden combinarse en uno solo mediante el concepto de carga nuclear efectiva, que es la carga nuclear menos el efecto de pantalla de los electrones internos.

La variación de la energía de ionización de los átomos neutros con el número atómico se representa en la gráfica adjunta. Como se puede observar, existe una marcada periodicidad, con unos valores máximos para los gases nobles y unos valores mínimos que corresponden a los metales alcalinos.

La explicación cualitativa de la periodicidad de la energía de ionización es inmediata. En los metales alcalinos, el electrón exterior está prácticamente apantallado por los demás electrones internos, que forman capas completas, por lo que la carga nuclear efectiva que actúa sobre él es ligeramente menor que la unidad, y su energía, muy pequeña. A medida que crece n, decrece ligeramente la energía de ionización, debido a que el apantallamiento va siendo cada vez más completo.

En los gases nobles, y en menor grado en los halógenos, con electrones exteriores formando capas completas, o casi completas, respectivamente, el apantallamiento de cada electrón por los demás de dichas capas es mucho menor; por tanto, la carga efectiva es bastante mayor que la unidad, y la energía mucho mayor que la que tendría un electrón externo único con igual valor de n.

Las energías de ionización de los restantes elementos están comprendidas entre las de los metales alcalinos y las de los gases nobles. Los metales alcalinotérreos tienen una energía de ionización bastante mayor que los respectivos alcalinos, lo que se debe al pequeño apantallamiento entre dos electrones s, con igual n, que hace más estable la configuración electrónica ns². Al pasar a los elementos del grupo del boro, disminuye ligeramente la energía de ionización, debido a la menor penetración del orbital «p, que está, por tanto, bastante apantallado por los electrones ns²

Es interesante comparar las energías de ionización de los elementos de grupos principales con las correspondientes de los grupos B (con electrones d o f casi externos), como puede verse en la tabla adjunta. El Cu (Z = 29) debería tener una energía de ionización intermedia entre la del K (Z = 19) y la del Rb (Z = 37) si no fuera por la existencia de 10 electrones 3d, que apantallan mucho menos que los 3p al electrón 4s; por ello, su energía de ionización es mucho mayor que la del K. La plata, de configuración electrónica análoga a la del cobre, pero con n mayor en una unidad, tiene, como es lógico, una energía de ionización ligeramente menor; ésta debería decrecer en el oro si no fuese ahora por la presencia de los electrones 4f, que apantallan muy poco; por lo cual, la energía de ionización aumenta en lugar de disminuir. Esto explica las diferencias en las propiedades químicas entre los metales alcalinos y el Cu, la Ag y el Au.