Что такое ионизация в физике

Ионизация

Иониза́ция — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул.

Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии.

Принято различать ионизацию двух типов — последовательную (классическую) и квантовую, не подчиняющуюся некоторым законам классической физики.

Содержание

Классическая ионизация

Аэроионы, кроме того, что они бывают положительными и отрицательными, разделяются на лёгкие, средние и тяжёлые ионы. В свободном виде (при атмосферном давлении) электрон существует не более, чем 10 −7 — 10 −8 секунды.

Ионизация в электролитах

Электролиты — вещества, растворённые в воде. К электролитам относятся растворимые соли, кислоты, гидроксиды металлов. В процессе растворения молекулы электролитов распадаются на катионы и анионы. Фарадей, полагаясь на данные, полученные из экспериментов с электролизом, вывел формулу о пропорциональности массы m к заряду Δq, который прошёл через электролит, или о пропорциональности массы m к силе тока I и времени Δt: .

Ионизация в газах

Газы по большей мере состоят из нейтральных молекул. Однако если часть молекул газов ионизируется, газ проводит электрический ток. Есть два основных способа ионизации в газах:

Квантовая ионизация

В 1887 году Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта. Это не согласовывалось с волновой теорией света — она не смогла объяснить законы фотоэффекта и наблюдаемое разделение энергии в спектре электромагнитного излучения. В 1900 году Макс Планк установил, что тело может поглощать или испускать электромагнитную энергию только специальными порциями, квантами. Это дало теоретическую основу для объяснения явлений фотоэффекта. Чтобы объяснить явления фотоэффекта, в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу про существование фотонов как частичек света, что позволяет объяснить квантовую теорию — фотоны, которые способные поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы тяготения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.

Методы ионизации

Методы, использующиеся для ионизации проводящих материалов:

Искровая ионизация: за счёт разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом возникает искра, вырывающая с поверхности мишени ионы.

Ионизация в тлеющем разряде происходит в разрежённой атмосфере инертного газа (например, в аргоне) между электродом и проводящим кусочком образца.

Ударная ионизация. Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая со скоростью V, столкнётся с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если эта кинетическая энергия не меньше энергии ионизации.

Источник

Что представляет ионизация

Почти вся теоретическая химия, связанная с атомными и молекулярными реакциями, является квантовой физикой, которая изучает энергетические изменения, связанные с электронами. Важным понятием, связанным с электронами, является определение что такое ионизация.

Атом состоит из центрального ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтроны, которое окружены электронами, вращающимися вокруг него на орбиталях с определенными энергетическими уровнями. Электроны связаны с атомным ядром из-за электромагнитной силы притяжения.

Чтобы освободиться от силы притяжения атомного ядра, электрону требуется энергия, которая может поступать из внешних источников. Если этой энергии окажется достаточно образуются ионы.

Ионы-это атомы, которые получили или потеряли электроны.

Процесс расщепления молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении вещества называется ионизацией.

Ионизация является эндотермической, то есть атом или молекула увеличивает свою внутреннюю энергию (берет из внешнего источника). Для каждого атома химического элемента, уровни этой энергии для каждой атомной орбитали отличаются.

Что необходимо для процесса расщепления

Для процесса расщепления молекул вещества с образованием ионов необходима энергия ионизации, ионизационный потенциал. Определяется как общее количество энергии, необходимой для освобождения электрона, который вращается во внешней оболочке любого атома.

Кроме того, химики также определяют его как полную энергию, необходимую для освобождения одного моля электронов от одного моля конкретного атома.

В физике предпочитают использовать электронвольты (eV, эВ) на атом, как единицу для потенциала ионизации, в то время как в химии измеряется в терминах кДж/моль (килоджоулей на моль). Например, энергия ионизации водорода 13,5984 эВ (1310 кДж/моль).

Чем ниже энергия, тем выше тенденция атома становиться восстановителем и более реактивным он является. С другой стороны, чем выше энергия ионизации, тем выше тенденция становиться окислителем и менее реактивным.

Энергия, необходимая для выделения одного электрона из внешней энергетической оболочки атома, известна как первый потенциал ионизации, в то время как энергия, необходимая для освобождения от второго, известна как второй потенциал ионизации. Второй потенциал ионизации всегда выше первого. Это происходит потому, что, чем больше убирается электронов из его внешних оболочек, тем сильнее атом удерживает остальные, которые остались.

Сейчас мы подробно поговорим что такое ионизация в процессе.

Процесс образования ионов на примере

Чтобы понять процесс ионизации, рассмотрим структуру хлорида натрия. Хлорид натрия — это поваренная соль которую мы используем в нашей повседневной жизни. Атомные номера Na и Cl равны 11 и 17 соответственно. Это означает, что атом натрия имеет 11 и атом хлора имеет 17 электронов на своих орбитах.

Атом Na имеет только один электрон на своей внешней орбите. В то время как хлор содержит семь на своей внешней орбите. Но мы знаем, что для стабильности атомы обычно требуют восемь электронов на своей внешней орбите. Таким образом, оба указанных атома химически активны. Когда эти атомы собраны вместе, атом Na теряет свои самые внешние электроны, становится положительно заряженным, а атом Cl получает один электрон и становится отрицательно заряженным. Так как атомы получают восемь электронов в их внешней орбиты путем их обмена. Между Na и Cl действует электростатическая сила между и они совместно сделали одну молекулу NaCl.

Как отмечается, ионные связи возникают, когда металл связывается с неметаллом, и эти связи чрезвычайно прочны.

Ионные соединения и твердые тела

Не только соль сформирована ионным скреплением. Соль также пример ионного твердого тела или кристаллического твердого тела которое содержит ионы.

Кристаллический солидис: тип твердого тела в котором составные части аранжированы в простой, определенной геометрической картине которая повторена во всех направлениях.

Существует три типа кристаллического твердого вещества: молекулярное твердое (например, сахароза или столовый сахар), в котором молекулы имеют нейтральный электрический заряд; атомная твердые (алмаз, например, из чистого углерода); и ионные твердые.

Соль не образуется из обычных молекул, как вода или углекислый газ. Внутреннюю структуру соли можно представить в виде повторяющейся серии хлоридных анионов и катионов натрия, плотно упакованных друг с другом, как апельсины в ящике.

Эта плотная упаковка положительных и отрицательных зарядов помогает сформировать плотное скрепление, и поэтому соль необходимо нагреть до высокой температурой прежде чем она расплавится. Твердая соль не проводит электричество, но расплавленная, она становится весьма хорошим проводником. Когда она твердая, ионы плотно упакованы, и таким образом не способствуют движению электрических зарядов; но когда структура нарушена путем плавления или растворения в чем либо движение ионов возможно.

Энергия для процесса

Вода не является хорошим проводником, хотя она, безусловно, позволит протекать через нее электрическому току, поэтому опасно эксплуатировать электроприбор вблизи воды.

Соль при расплавлении становится хорошим проводником, но этого можно добиться и растворением ее в воде.

На примере поваренной соли видно что такое ионизация. Однако это один из видов ионизации, который может быть определен как процесс, в котором один или несколько электронов удаляются из атома или молекулы, чтобы создать ион, или процесс, в котором ионное твердое вещество, такое как соль, диссоциирует на его компонентные ионы при растворении в растворе.

Количество энергии, необходимое для достижения ионизации, называется энергией ионизации или потенциалом ионизации.

Когда атом находится на своем нормальном энергетическом уровне, говорят, что он находится в основном состоянии. В этот момент электроны занимают свои нормальные орбитальные структуры. Между электроном и положительно заряженным ядром, в котором находятся протоны, всегда существует высокая степень притяжения. Энергия, необходимая для перехода электрона на более высокую орбиталь увеличивает общую энергию атома, который находится в возбужденном состоянии.

Возбужденное состояние атома — это просто шаг на пути к его ионизации путем удаления электрона. «Шаг» является подходящей метафорой, потому что электроны не просто дрейфуют вдоль континуума от одного энергетического уровня к другому, как человек поднимается по лестнице. Они делают дискретные шаги, как человек взбирается по лестнице или трапу. Это один из ключевых принципов квантовой механики, передовой области физики, которая также имеет многочисленные приложения к химии. Подобно тому, как говорится о внезапном изменении как о «квантовом скачке», электроны совершают квантовые скачки с одного энергетического уровня на другой.

Из-за высокого притяжения между электроном и ядром первый удаляемый электрон находится на самой внешней орбите. Это количество энергии называется первой энергией ионизации. Удалить второй электрон будет значительно сложнее, так как теперь атом является катионом, а положительный заряд протонов в ядре больше отрицательного заряда электронов. Следовательно, энергия, необходимая для удаления второго электрона намного выше, чем первая.

Образование ионов элементов и соединений

Существуют уровни энергии ионизации для элементов, хотя следует отметить, что водород, поскольку имеет только один электрон, имеет только первую энергию ионизации. Как правило, показатели увеличиваются слева направо вдоль периода или строки периодической таблицы и уменьшаются сверху вниз вдоль столбца или группы.

Причина, по которой энергия ионизации увеличивается вдоль периода, заключается в том, что неметаллы в правой части таблицы имеют более высокую энергию, чем металлам, которые находятся на левой стороне. Величина уменьшается вдоль группы, потому что элементы ниже в таблице Менделеева имеют более высокие атомные номера, что означает больше протонов и, следовательно, больше электронов. Поэтому им легче отказаться от одного из своих электронов, чем от элемента с более низким атомным номером — так же, как миллионеру было бы легче потерять тысячу рублей, чем это было бы для человека, зарабатывающего минимальную заработную плату.

Для молекул в соединениях энергия ионизации обычно связана с элементами, атомы которых составляют молекулу. Подобно тому, как элементы с меньшим количеством электронов, как правило, менее склонны отказаться от одного, так и молекулы с несколькими атомами. Таким образом, энергия ионизации диоксида углерода (СО₂), содержащего всего три атома, относительно высока. И наоборот, в больших молекулах, как с большими атомами, есть больше электронов, чтобы отказаться, и поэтому легче отделить один из них от молекул.

Применение процесса

Другим процессом ионизации является ионизация полем, при которой она производится путем воздействия на молекулу очень интенсивного электрического поля. Ионизация поля происходит в ежедневной жизни, когда статическое электричество образует малую искру. Искра фактически поток электронов.

В прикладных лабораториях профессионально известно что такое ионизация и используются точные приборы. Этот процесс гораздо более эффективен, чем электронным ударом и требуется гораздо меньше энергии по отношению к энергии, необходимой для удаления электронов. Технологические достижения медицины широко применяют этот процесс.

Химическая ионизация использует метод подобный ионизации удара электрона, за исключением того, что вместо электронов, луч используется для того чтобы бомбардировать и ионизировать образец. Ионы используемые в этой бомбардировке типично малые молекулы, как в метане, пропане или аммиаке. Тем не менее, молекулярный ион гораздо больше чем электрон, и эти столкновения высокореактивны.

Многие масс-спектрометры используют источник, способный как к электронному удару, так и к химической ионизации.

Ионизация может обеспечиваться электромагнитным излучением, длина волны которого короче длины волн видимого света, т. е. ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами или гамма-лучами.

Также существует фотоионизация малых молекул, как то кислород (O₂). Фотоионизация происходит в верхних слоях атмосферы, где ультрафиолетовое излучение от Солнца вызывает ионизацию кислорода и азота (N₂) в их молекулярных формах.

Вот, что такое ионизация в популярном виде.

Источник

Ионизация газа

Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.

Что такое ионизация газа Аэроионы

Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.

Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.

Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.

В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.

Ионизация газа в воздухе

В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.

Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).

Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.

Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.

Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.

Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.

Образование тока в газе вторичная ионизация

Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.

Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.

Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина I_н тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:

Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).

Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.

Скорость движения ионов в газе

Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.