イオン化エネルギー

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元素順の第一イオン化エネルギー。アルカリ金属で最も小さく、希ガスで最も大きくなる周期的な変化が見られる。

イオン化エネルギー（イオンかエネルギー、英語：ionization energy、電離エネルギー、イオン化ポテンシャルとも言う）とは、原子、イオンなどから電子を取り去ってイオン化するために要するエネルギー[1]。ある原子がその電子をどれだけ強く結び付けているのかの目安である。

気体状態の単原子（または分子の基底状態）の中性原子から取り去る電子が1個目の場合を第1イオン化エネルギー（IE1）、2個目の電子を取り去る場合を第2イオン化エネルギー（IE2）、3個目の電子を取り去る場合を第3イオン化エネルギー（IE3）・・・（以下続く）と言う[2]。単にイオン化エネルギーといった場合、第1イオン化エネルギーのことを指すことがある。

[math]\rm M(g) \rarr M^+ (g) + e^-[/math] 　IE1
[math]\rm M^+(g) \rarr M^{2+} (g) + e^-[/math] 　IE2
[math]\rm M^{2+}(g) \rarr M^{3+} (g) + e^-[/math] 　IE3

イオン化エネルギーの一般的な傾向は、s軌道とp軌道の相対的エネルギーとともに、電子の結合に対する有効核電荷核電荷の効果を考えることによって説明できる。

原子核の正電荷が増すにつれ、与えられた軌道にある負に荷電した電子はより強いクーロン引力を受け、より強く保持される。ヘリウムの1s電子を除去するには水素の1s電子を除去するよりも多くのエネルギーを必要とする。

[math]\rm H(g) \rarr H^+ (g) + e^-[/math] 　[math]IE^1=1312\;\rm{kJ\;mol^{-1}}[/math]
[math]\rm He(g) \rarr He^+ (g) + e^-[/math]　　[math]IE^1=2372\;\rm{kJ\;mol^{-1}}[/math]

周期表の同じ周期の中で最高のイオン化エネルギーは希ガスのものであり、希ガスは安定な閉殻電子配置をもつといわれる。

主量子数ｎの値が小さい内殻電子のイオン化エネルギーは価電子に比べ格段に大きい[3]。たとえば電子3個のリチウムではIE1は5.32eV であるが、1sからのIE2は75.6eVである[3]。2s軌道の電子は1s軌道の電子ほど強く保持されていない。

最低のイオン化エネルギーは周期表の左端にある第1族元素のものである。これらの原子のひとつから電子1個を除くと希ガス原子と同じ閉殻電子配置を持つイオンになる。

どの原子からも最も容易に失われる電子は最高エネルギー軌道にある電子からである。

一覧

イオン化エネルギーの一覧 kJ/mol
原子番号 元素記号 元素名 第1 第2 第3 第4 第5 第6 第7 第8 第9 第10
1 H 水素 1312.0
2 He ヘリウム 2372.3 5250.5
3 Li リチウム 520.2 7298.1 11815.0
4 Be ベリリウム 899.5 1757.1 14848.7 21006.6
5 B ホウ素 800.6 2427.1 3659.7 25025.8 32826.7
6 C 炭素 1086.5 2352.6 4620.5 6222.7 37831 47277.0
7 N 窒素 1402.3 2856 4578.1 7475.0 9444.9 53266.6 64360
8 O 酸素 1313.9 3388.3 5300.5 7469.2 10989.5 13326.5 71330 84078.0
9 F フッ素 1681.0 3374.2 6050.4 8407.7 11022.7 15164.1 17868 92038.1 106434.3
10 Ne ネオン 2080.7 3952.3 6122 9371 12177 15238 19999.0 23069.5 115379.5 131432
11 Na ナトリウム 495.8 4562 6910.3 9543 13354 16613 20117 25496 28932 141362
12 Mg マグネシウム 737.7 1450.7 7732.7 10542.5 13630 18020 21711 25661 31653 35458
13 Al アルミニウム 577.5 1816.7 2744.8 11577 14842 18379 23326 27465 31853 38473
14 Si ケイ素 786.5 1577.1 3231.6 4355.5 16091 19805 23780 29287 33878 38726
15 P リン 1011.8 1907 2914.1 4963.6 6273.9 21267 25431 29872 35905 40950
16 S 硫黄 999.6 2252 3357 4556 7004.3 8495.8 27107 31719 36621 43177
17 Cl 塩素 1251.2 2298 3822 5158.6 6542 9362 11018 33604 38600 43961
18 Ar アルゴン 1520.6 2665.8 3931 5771 7238 8781 11995 13842 40760 46186
19 K カリウム 418.8 3052 4420 5877 7975 9590 11343 14944 16963.7 48610
20 Ca カルシウム 589.8 1145.4 4912.4 6491 8153 10496 12270 14206 18191 20385
21 Sc スカンジウム 633.1 1235.0 2388.6 7090.6 8843 10679 13310 15250 17370 21726
22 Ti チタン 658.8 1309.8 2652.5 4174.6 9581 11533 13590 16440 18530 20833
23 V バナジウム 650.9 1414 2830 4507 6298.7 12363 14530 16730 19860 22240
24 Cr クロム 652.9 1590.6 2987 4743 6702 8744.9 15455 17820 20190 23580
25 Mn マンガン 717.3 1509.0 3248 4940 6990 9220 11500 18770 21400 23960
26 Fe 鉄 762.5 1561.9 2957 5290 7240 9560 12060 14580 22540 25290
27 Co コバルト 760.4 1648 3232 4950 7670 9840 12440 15230 17959 26570
28 Ni ニッケル 737.1 1753.0 3395 5300 7339 10400 12800 15600 18600 21670
29 Cu 銅 745.5 1957.9 3555 5536 7700 9900 13400 16000 19200 22400
30 Zn 亜鉛 906.4 1733.3 3833 5731 7970 10400 12900 16800 19600 23000
31 Ga ガリウム 578.8 1979.3 2963 6180
32 Ge ゲルマニウム 762 1537.5 3302.1 4411 9020
33 As ヒ素 947.0 1798 2735 4837 6043 12310
34 Se セレン 941.0 2045 2973.7 4144 6590 7880 14990
35 Br 臭素 1139.9 2103 3470 4560 5760 8550 9940 18600
36 Kr クリプトン 1350.8 2350.4 3565 5070 6240 7570 10710 12138 22274 25880
37 Rb ルビジウム 403.0 2633 3860 5080 6850 8140 9570 13120 14500 26740
38 Sr ストロンチウム 549.5 1064.2 4138 5500 6910 8760 10230 11800 15600 17100
39 Y イットリウム 600 1180 1980 5847 7430 8970 11190 12450 14110 18400
40 Zr ジルコニウム 640.1 1270 2218 3313 7752 9500
41 Nb ニオブ 652.1 1380 2416 3700 4877 9847 12100
42 Mo モリブデン 684.3 1560 2618 4480 5257 6640.8 12125 13860 15835 17980
43 Tc テクネチウム 702 1470 2850
44 Ru ルテニウム 710.2 1620 2747
45 Rh ロジウム 719.7 1740 2997
46 Pd パラジウム 804.4 1870 3177
47 Ag 銀 731.0 2070 3361
48 Cd カドミウム 867.8 1631.4 3616
49 In インジウム 558.3 1820.7 2704 5210
50 Sn スズ 708.6 1411.8 2943.0 3930.3 7456
51 Sb アンチモン 834 1594.9 2440 4260 5400 10400
52 Te テルル 869.3 1790 2698 3610 5668 6820 13200
53 I ヨウ素 1008.4 1845.9 3180
54 Xe キセノン 1170.4 2046.4 3099.4
55 Cs セシウム 375.7 2234.3 3400
56 Ba バリウム 502.9 965.2 3600
57 La ランタン 538.1 1067 1850.3 4819 5940
58 Ce セリウム 534.4 1050 1949 3547 6325 7490
59 Pr プラセオジム 527 1020 2086 3761 5551
60 Nd ネオジム 533.1 1040 2130 3900
61 Pm プロメチウム 540 1050 2150 3970
62 Sm サマリウム 544.5 1070 2260 3990
63 Eu ユウロピウム 547.1 1085 2404 4120
64 Gd ガドリニウム 593.4 1170 1990 4250
65 Tb テルビウム 565.8 1110 2114 3839
66 Dy ジスプロシウム 573.0 1130 2200 3990
67 Ho ホルミウム 581.0 1140 2204 4100
68 Er エルビウム 589.3 1150 2194 4120
69 Tm ツリウム 596.7 1160 2285 4120
70 Yb イッテルビウム 603.4 1174.8 2417 4203
71 Lu ルテチウム 523.5 1340 2022.3 4370 6445
72 Hf ハフニウム 658.5 1440 2250 3216
73 Ta タンタル 761 1500
74 W タングステン 770 1700
75 Re レニウム 760 1260 2510 3640
76 Os オスミウム 840 1600
77 Ir イリジウム 880 1600
78 Pt 白金 870 1791
79 Au 金 890.1 1980
80 Hg 水銀 1007.1 1810 3300
81 Tl タリウム 589.4 1971 2878
82 Pb 鉛 715.6 1450.5 3081.5 4083 6640
83 Bi ビスマス 703 1610 2466 4370 5400 8520
84 Po ポロニウム 812.1
85 At アスタチン 890±40
86 Rn ラドン 1037
87 Fr フランシウム 380
88 Ra ラジウム 509.3 979.0
89 Ac アクチニウム 499 1170
90 Th トリウム 587 1110 1930 2780
91 Pa プロトアクチニウム 568
92 U ウラン 597.6 1420
93 Np ネプツニウム 604.5
94 Pu プルトニウム 584.7
95 Am アメリシウム 578
96 Cm キュリウム 581
97 Bk バークリウム 601
98 Cf カリホルニウム 608
99 Es アインスタイニウム 619
100 Fm フェルミウム 627
101 Md メンデレビウム 635
102 No ノーベリウム 642
103 Lr ローレンシウム 470
104 Rf ラザホージウム 580

イオン化エネルギーについての補足

アルカリ金属などでIEが低く、希ガスに近づくにつれ値が高まる傾向があることは前述のとおりだが、ベリリウムとホウ素、窒素と酸素などではその傾向が少しだけ逆転している[4]。この理由については原子軌道やフントの規則を考慮する必要がある。

窒素原子と酸素原子を例に考える。二つの電子配置は次の表のようになる。（IEの単位はeV）

N : 1s2 2s2 2p3 　　IE1：14.53, IE 2：29.60

O : 1s2 2s2 2p4 　　IE1：13.61, IE 2：35.12

1s 2s 2px 2py 2pz
N ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
O ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑

窒素原子より酸素原子のほうが第一イオン化エネルギーが小さいのは、2p軌道に入る4個目の電子が三重に縮重したp軌道のいずれかの軌道に異なるスピンをもって入り、電子間の静電的な反発エネルギーが電子を不安定にするためである。

ちなみに、第2イオン化エネルギーの場合は、どちらも区別のつかない2p軌道からひとつずつ取り去るので、有効核電荷が大きい酸素原子のほうがIE2は大きくなる。このことは他の周期でもみられる。

また電気陰性度（マリケンの電気陰性度）は、電子親和力とイオン化エネルギーの相加平均であるが、前者に比べ後者のほうがかなり大きいため、電気陰性度はほぼイオン化エネルギーに比例する。

脚注

  1. ↑ テンプレート:GoldBookRef
  2. ↑ Shriver & Atkins (2001), p.39。
  3. ↑ 3.0 3.1 Shriver & Atkins (2001), p.43。
  4. ↑ Shriver & Atkins (2001), pp.41-42。

参考文献

関連項目



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