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Energía de ionización

Energía de ionización

La energía de ionización es la energía que se requiere para extraer un electrón de un átomo neutro. Es igual en valor absoluto a la energía con que el núcleo atómico mantiene unido al electrón, la energía necesaria para ionizar al átomo. Es mínima para aquellos metales alcalinos que cuentan con un solo electrón fuera de una capa completa.

La energía de ionización aumenta en cada fila de la tabla periódica. El máximo se encuentra en los gases nobles que cuentan con capas completas. Se la considera una energía primaria empleadas en la cuantificación de los enlaces químicos.

En síntesis, este tipo de energía es la energía que se le debe dar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para quitarle el electrón más externo. Es decir aquel que se encuentra retenido con menos intensidad, para convertirlo en un catión monopositivo gaseoso.

Energía de ionización

¿Qué es la energía de ionización?

Aquellos elementos que se encuentran a la izquierda en la tabla periódica cuentan con una energía de ionización mucho más baja en relación a los de la derecha. Por otro lado, los elementos químicos en la tabla periódica cuentan con una energía de ionización mucho menor. El motivo de esto es que los electrones se encuentran más alejados del átomo con un radio atómico creciente. La energía de ionización se incrementa a medida que se elimina cada electrón.

Estas energías dependen al mismo tiempo del radio atómico. Aquellos elementos que cuentan con una configuración electrónica completa y media llena, necesitan de más energía para eliminar un electrón de los orbitales completamente llenos. No ocurre lo mismo con aquellos orbitales que se encuentran llenos de manera incompleta.

Los metales alcalinos son los de menor energías de ionización. Además de la distancia entre el núcleo y los electrones en el orbital más externo, la cantidad de electrones entre el núcleo y los electrones en la capa más externa, también tiene un efecto sobre la energía de ionización.

Magnitud de la energía de ionización

Cuando la carga positiva total del núcleo no se percibe por los electrones externos por las cargas negativas de los electrones internos, hablamos de blindaje. Esto ocurre porque la carga negativa de los electrones internos cancela la carga positiva de manera parcial. Cuanto mayor es la cantidad de electrones externos que protegen la capa externa de electrones del núcleo, menor es la cantidad de energía que se necesita para expulsar un electrón de dicho átomo.

Entonces, podemos decir que cuanto mayor sea el efecto de protección, menor va a ser la energía de ionización. Esto se debe a que esta energía disminuye desde arriba hacia abajo dentro de un grupo.

Energía de ionización

La energía de ionización es una medida cuantitativa de la energía en que el electrón y el átomo se encuentran unidos. Entonces podemos decir que la variación de esta magnitud ayuda a que entendamos las diferencias cuantitativas entre las estructuras electrónicas.

Cuando hablamos de la magnitud de la energía de ionización, podemos decir que la misma depende de tres factores:

  • Estructura electrónica de la última capa.
  • Radio atómico.
  • Carga nuclear.

El factor determinantes es la configuración electrónica de la última capa. Cuanto más estable sea la misma, mayor va a ser la energía que se va a necesitar para separar un electrón de ella.

¿Cómo varían las energías de ionización?

Como mencionamos antes, a lo largo de la tabla periódica, las energías de ionización van variando.

Cuando bajamos en un grupo, la energía de ionización se reduce. Esto se debe a que los electrones se encuentran en capas cada vez más lejanas al núcleo. Entonces los mismos son cada vez menos atraídos y es más fácil su extracción.

Por otro lado, si nos movemos a la derecha en un periodo en la tabla, la energía de ionización aumenta. Esto se debe al incremento de la carga nuclear efectiva.

Este tipo de energía se emplea para el cálculo de transiciones electrónicas. Y como dijimos antes, es el mínimo de energía que se necesita para remover un electrón de un átomo o molécula a una distancia tal que no exista más interacción electrostática entre el ion y el electrón.

Energía de ionización

Se pueden extraer uno a uno los electrones de un átomo. Se trata de un proceso escalonado, ya que los electrones salen en un orden determinado. De esta manera primero salen los electrones de valencia, y luego aquellos que se encuentran en los niveles más internos. Cada una de estas fases requiere una cantidad de energía determinada.

Las energías deben ser cada vez mayor. Como disminuye el número de electrones, las fuerzas repulsoras entre los electrones disminuyen. Finalmente prevalecen las fuerzas atractivas ejercidas por el núcleo, siendo necesaria cada vez más energía para arrancar un electrón del átomo.

La diferencia que podemos encontrar entre la energía de ionización y la energía de remoción, es que la primera se corresponde con la remoción escalonada de los electrones. Siendo las primeras energías de ionización las que se vinculan a la remoción de los electrones más externos del núcleo. Por su lado, la energía de remoción corresponde a aquella energía necesaria para quitar un electrón que puede pertenecer a cualquiera de las capas del átomo. Incluso puede ser de las capas más cercanas al núcleo.

Energía de ionización vertical y adiabática en moléculas

La ionización de las moléculas suele llevar a una serie de cambios en la geometría molecular. De esta manera podemos definir dos tipos diferentes de energía de ionización. Por un lado tenemos la adiabática,y por el otro la vertical. Vamos a ver con más detalle cada una de ellas.

Energía de ionización adiabática

En primer lugar tenemos la energía de ionización adiabática. En este caso, se está haciendo referencia a la cantidad mínima de energía que se necesita para eliminar un electrón de una molécula neutra. Esto quiere decir que se trata de la diferencia entre la energía del estado fundamental vibratorio de la especie neutra, y la del ion positivo.

Energía de ionización vertical

En segundo lugar tenemos la energía de ionización vertical. Por los diferentes cambios en la geometría molecular que pueden surgir de la ionización, pueden existir transiciones adicionales entre el estado fundamental de la vibración de la especie neutra y los estados de excitación vibratoria del ion positivo. Esto quiere decir que la ionización es acompañada por la excitación vibratoria.

La intensidad de las transiciones se explica por un principio que postula que la transición más probable e intensa corresponde al estado vibratorio excitado del ion positivo que tiene la misma geometría que la molécula neutra. Esta transición se conoce como energía de ionización “vertical”. La razón de esto es que la misma se representa por una línea vertical y recta en un diagrama de energía potencial.

Usos de la energía iónica

Dicho todo lo anterior, podemos ir un poco más a lo conocido. Particularmente vamos a ver algunos de los usos que se le suele dar a este tipo de energía.

  • Detección de amenazas, en particular aquellas que se vinculas con drogas o explosiones.
  • Control de rayos. La ionización nos da una cierta potencia, de la cual ya hablamos, pero eso no es todo. Además podemos conseguir controlar la energía o la fuerza que liberan los rayos en una tormenta con ella. De esta manera vamos a conseguir reducir la intensidad.
  • Televisores y tubos fluorescentes. Un proceso de ionización ayuda al buen funcionamiento de los tubos fluorescentes que todos conocemos. Además los televisores plasma encienden gracias a esta energía.
  • Esterilización. La energía de ionización nos permite esterilizar los instrumentos. De esta manera cualquier microorganismo que se encuentre en el mismo desaparece.
  • Análisis farmacéuticos. Finalmente podemos emplear esta energía en el plano de los medicamentos.

Ventajas y desventajas de la energía de ionización

Ventajas

Energía de ionizaciónEntre las ventajas más importantes que podemos mencionar acerca de esta energía podemos hacer referencia a que:

  • Por un lado, para ser generada solo requiere electrones y átomos y no es necesario que se los tome de la electricidad. De esta manera podemos hablar de una energía limpia si se emplean por ejemplo los electrones y átomos de la energía solar por ejemplo.
  • Además puede implicar un gran ahorro en el consumo de combustible. En este caso podemos pensar en los motores de ionización que liberan energía que reduce ampliamente el consumo de combustibles.

Desventajas

Energía de ionizaciónPor otro lado, entre las desventajas de este tipo de energía podemos mencionar las siguientes:

  • No es una energía completamente fiable, debido a la ausencia de estabilidad de la misma. Entonces, no nos podemos quedar pensando que en algún momento esta energía va a ser empleada para usos cotidianos.
  • Por otro lado tenemos que mencionar los altos costos que implica. En un principio podría parecer que este tipo de energía es definitivamente costoso, y efectivamente, al igual que la energía química, lo es. Posiblemente esto se deba a los procesos por medio de los cuales se genera y a la tecnología que deberíamos tener disponible para usarla.

No podemos ampliarnos mucho más en estos aspectos. El motivo es que al día de hoy no es una de las energías más estudiadas ni más utilizadas. Todavía queda mucho camino por recorrer en este sentido.