נוסח השאלה המלא: מדוע בטבלה המחזורית אנרגיית היינון הראשונה לא במגמה ברורה של ירידה ככל שיורדים בקבוצה (לדוגמה- אנרגיית היינון של תליום וגליום גבוהה משל אלומיניום)?
באופן כללי, ואם אתה מוכן לקבל תגובה משעשעת, הייתי עונה לך, (בהתבוננות כללית אחרי שנים של לימוד והתעסקות בכימיה) שהסיבה היא בגלל שכימיה היא מדע שבו לכל כלל יש יוצא מהכלל. ואולי זה גם היופי שבכימיה, הרי זו הסיבה שכל יסוד תמיד קצת שונה מכל היסודות האחרים ואין בטבע 2 יסודות זהים, למרות שיש הרבה יסודות דומים, וזה בגלל שלכל יסוד שילוב ייחודי משלו של פרוטונים ואלקטרונים.
ויותר ברצינות, לגופה של שאלה: 'אנרגיית היינון' של אטום מוגדרת כאנרגיה שצריך להשקיע כדי להוציא אלקטרון מתוך האטום, ובכך להפוך אותו ליון (אטום שהוצא ממנו אלקטרון, שהינו בעל מטען חשמלי שלילי, נהפך ליון בעל עודף מטען חשמלי חיובי, קטיון). אנרגיית היינון הראשונה – היא האנרגיה שדרושה על מנת להוציא אלקטרון אחד בודד מתוך אטום. ברור מאליו – שאנרגיית היינון הזאת תהייה תלוייה בכמה חזק קשור האלקטרון לגרעין האטום. כיוון שהכוח שמושך את האלקטרון לגרעין האטום הוא פשוט הכוח החשמלי, ניתן לומר שאנרגיית היינון תלוייה בעוצמת הכוח החשמלי בין האלקטרון לבין הגרעין. עוצמת כוח חשמלי מוכתבת על ידי חוק קולון, לפי המשוואה הפשוטה הבאה:
מהמשוואה רואים כי עוצמת הכוח החשמלי (F) תלוייה במטען החשמלי של שני המטענים שמושכים זה את זה (q1 ו-q2): ככל שהמטענים גדולים יותר הכוח חזק יותר.
ותלוייה באופן הפוך במרחק בין המטענים בריבוע (r2) – ככל שהמטענים רחוקים זה מזה – כך הכוח יותר חלש.
בבית הספר התיכון לומדים שאנרגיית היינון הולכת וקטנה ככל שמתקדמים משורה לשורה בתוך קבוצה בטבלה המחזורית, כלל זה תקף בדר"כ והסיבה היא שככל שמתקדמים משורה לשורה בטבלה המחזורית, הרדיוס של האטום גדל = המרחק בין האלקטרון האחרון לבין הגרעין גדל = הכוח החשמלי קטן (לפי חוק קולון) = אנרגיית היינון קטנה. הכלל תקף בצורה טובה בטור הראשון, למשל: אנרגיות היינון של ליתיום (Li), נתרן (Na), אשלגן (K) רובידיום (Rb) וציזיום (Cs) שנמצאים אחד מתחת לשני בטור הראשון אכן הולכות ויורדות: 520, 496, 419, 403,ו- 376 קילו-ג'אול למול, בהתאמה. אולם אנרגיית היינון של היסוד פרנציום (Fr), שנמצא עוד מתחת לציזיום 'מקלקלת' את הסדר – והיא דווקא יותר גבוהה 380. בלבול יותר רציני קיים גם בטור של היסוד אלומיניום (Al), שבו, כפי שציינת בשאלתך, ליסודות שנמצאים בשורות נמוכות ממנו בטבלה כמו גליום (Ga) ותליום (Tl) יש אנרגיית יינון גבוהה יותר (במעט).
הסיבה לכל ה'אנומליות' (כלומר התנהגויות החורגות מהנורמליות ומהכלל) הללו היא הגורם הנוסף למרחק המופיע בחוק קולון – וזה המטענים החשמליים. מבחינת המטענים המעורבים בקביעת אנרגיית היינון, מצד אחד קיים מטען האלקטרון – שהוא זהה בכל האטומים, ומהצד השני – נמצא מטען הגרעין, בעל המטען החשמלי החיובי, שמושך את האלקטרונים אליו, וזה שונה בכל אטום ואטום. אולם – העובדה שבגרעין של ליתיום יש 3 פרוטונים, ובגרעין של פרנציום יש 87 פרוטונים לא אומרת, בכלל, שהמטען החשמלי שמרגיש האלקטרון החיצוני בכל אטום זהה למספר הפרוטונים שבאטום, וזה בגלל אפקט של 'הסתרה' (המינוח המקצועי נקרא 'מיסוך') – האלקטרונים הפנימיים מסתירים וממסכים לאלקטרונים החיצוניים את הגרעין, כך שבפועל האלקטרונים לא מרגישים בהשפעתו של כל המטען בגרעין, אלא, רק במה שמכונה 'מטען אפקטיבי' של הגרעין. (עוד על מטען אפקטיבי, בקישור). אבל כאן לא מסתיים הסיפור: בגלל שתורת הקוונטים מצאה שהאלקטרונים השונים נמצאים בתוך מסלולונים (אורביטלים) בעלי צורות שונות ומשונות, לא כל האלקטרונים ממסכים את מטען הגרעין בצורה שווה (עוד על אורביטלים ועל צורות מסלולי האלקטרונים באטום, בקישור). מנתוני אנרגיית היינון ניתן לומר בוודאות, כי האורביטלים מסוג f, כמו אלה שמאכלסים את המתכות הלנתנידיות (מספר אטומי 57 עד 71) – לא ממסכים טוב את הגרעין, כמו אורביטלים אחרים, ולכן, עבור אטומים שנמצאים בהמשך לשורת ה'לנתנידים' – כמו למשל תליום ופרנציום – תהייה עליה באנרגיית היינון (כי הם חשים בהשפעה חזקה יותר של הגרעין).
'צורת' שבעת אורביטלי f, התמונה עובדה מתוך ויקיפדיה
רואים זאת גם במתכות בטור הרביעי בטבלה המחזורית: בדיל (Sn) – אנרגיית יינון של 709 קילו-ג'אול למול, ועופרת (Pb) – שנמצאת שורה מתחתיו ואחרי ה'לתנתנידים', וגם בה רואים את אותה 'חריגה מהכלל' – בעלת אנרגיית יינון גבוהה יותר, של 716 קילו-ג'אול למול.
אותו ה'משחק' בין מידת המיסוך של אורביטלים מסוג d, והבדל ברדיוס האטומים, גורמים לאנומליה בין אלומיניום לגליום.
_0.jpg)
אורביטלי d, התמונה עובדה מתוך ויקיפדיה
יש לציין שלצערנו, רק עבור אטום מימן (או כל יון עם אלקטרון אחד בלבד) ישנו פתרון מתמטי אנליטי מלא עבור כל האורביטלים האלקטרונים, ואפשר לחשב בדיוק מלא כיצד כל פקטור משפיע בדיוק על אנרגיית היינון. עבור האטומים בעלי יותר מאלקטרון אחד – אין למעשה פתרון אנליטי של משוואת רמות האנרגיה של האלקטרונים, ואנו נאלצים לעשות חישוב מקורב של 'מטען אפקטיבי', אולם כן ניתן להסביר את המגמות באנרגיות היינון, בצורה איכותית, כפי שראינו בתשובה זו.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
