یونش چیست؟ – در شیمی و به زبان ساده

یونش فرایندی است که در آن یک اتم یا گروهی از اتم‌ها با از دست دادن یا به دست آوردن یک یا چند الکترون، دارای بار مثبت یا منفی می‌شوند. یونش می‌تواند در اثر دمای بالا، برخورد ذرات زیراتمی، واکنش‌های شیمیایی، تخلیه‌های الکتریکی یا تابش‌های پرانرژی رخ دهد. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم یونش چیست و چگونه انجام می‌شود.

در ابتدای این مطلب با مفهوم کلی یونش آشنا شده و نحوه انجام آن را می‌آموزیم. در ادامه کاربردهای یونش و نحوه تشکیل یون‌ها را بررسی می‌کنیم. سپس مفاهیم انرژی یونش و روند تغییر آن و همچنین ثابت یونش و درجه یونش را می‌آموزیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید یونش چیست.

یونش چیست؟

یونش (یونیزاسیون) در شیمی و فیزیک فرآیندی است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌های خنثی از نظر بار الکتریکی، به اتم‌ها یا مولکول‌های باردار تبدیل می‌شوند. به عبارتی، یونش به فرایند تبدیل یون از مولکول یا اتم خنثی گفته می‌شود. یونش می‌تواند با از دست دادن الکترون یا دریافت الکترون انجام شود.

در صورتی که اتم یا مولکول‌خنثی بار یا الکترون از دست بدهد به کاتیون (یون مثبت) و در صورتی که الکترون بگیرد به آنیون (یون منفی) تبدیل می‌شود. یونش یکی از مهم‌ترین روش‌هایی است که تابش‌هایی مانند ذرات باردار و پرتوهای ایکس از طریق آن انرژی خود را به ماده منتقل می‌کنند.

برای جدا کردن یک الکترون از لایه بیرونی هر اتم، مقدار مشخصی انرژی لازم است که به آن انرژی یونش گفته می‌شود. مقدار این انرژی به ساختار اتم بستگی دارد و به طور کلی، اتم‌های کوچک‌تر با تعداد الکترون کمتر برای یونش به انرژی بیشتری نیاز دارند.

یونش در چه موادی انجام می‌شود؟

در شیمی، یونش اغلب در محلول‌های مایع رخ می‌دهد. برای مثال، مولکول‌های خنثی گاز هیدروژن کلرید $$HCl$$ با مولکول‌های قطبی آب $$H_2O$$ واکنش می‌دهند و یون‌های مثبت هیدرونیوم $$H_3O^+$$ و یون‌های منفی کلرید $$Cl^-$$ را تشکیل می‌دهند. همچنین، در سطح یک قطعه فلز روی که با یک محلول اسیدی در تماس است، اتم‌های روی $$Zn$$ الکترون از دست می‌دهند و به یون‌های بی‌رنگ $$Zn^{2+}$$ تبدیل می‌شوند.

یونش بر اثر برخورد در گازهای کم‌فشار و هنگام عبور جریان الکتریکی از آن‌ها رخ می‌دهد. اگر الکترون‌های تشکیل‌دهنده جریان انرژی کافی داشته باشند، الکترون‌هایی را از مولکول‌های خنثی گاز جدا کرده و جفت یون شامل یک یون مثبت و یک الکترون آزاد ایجاد می‌کنند. یون‌های منفی نیز زمانی تشکیل می‌شوند که برخی از این الکترون‌های آزاد به مولکول‌های خنثی گاز متصل شوند. گازها همچنین می‌توانند در دماهای بالا و در اثر برخورد میان مولکول‌ها یونیده شوند.

یادگیری شیمی دوازدهم با فرادرس

برای درک بهتر مفهوم یونش در شیمی و محاسبات مربوط به آن، نیاز است ابتدا با مفاهیمی چون اسید و باز، اسید لوییس، نحوه تشکیل یون، ساختار اتم و عدد اکسایش آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دوازدهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مفهوم یونش دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس

نحوه انجام پدیده یونش

در قسمت‌های قبل آموختیم یونش چیست. به طور کلی، یونش زمانی رخ می‌دهد که ذرات باردار یا تابش‌هایی با انرژی کافی از میان گازها، مایعات یا جامدات عبور کنند. ذرات باردار مانند ذرات آلفا و الکترون‌های حاصل از مواد رادیواکتیو، در مسیر حرکت خود یونش گسترده‌ای ایجاد می‌کنند. در مقابل، ذرات خنثی پرانرژی مانند نوترون‌ها و نوترینوها قدرت نفوذ بیشتری دارند و یونش بسیار کمی ایجاد می‌کنند.

در ادامه روش‌های انجام فرآیند یونش معرفی شده است.

• برخورد ذرات باردار با اتم‌ها
• جذب پرتوهای پرانرژی مانند پرتو ایکس و گاما
• برخورد اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌ها با یکدیگر
• عبور جریان الکتریکی از گازها
• یونش در اثر دمای بالا
• انجام واکنش‌های شیمیایی انتقال الکترون
• واپاشی پرتوزا و تبدیل داخلی هسته

پالس‌های انرژی تابشی مانند فوتون‌های پرتو ایکس و پرتو گاما نیز می‌توانند از طریق اثر فوتوالکتریک، الکترون‌ها را از اتم‌ها خارج کرده و باعث یونش شوند. الکترون‌های پرانرژی حاصل از جذب این تابش‌ها یا عبور ذرات باردار نیز می‌توانند یونش‌های بیشتری ایجاد کنند که به آن یونش ثانویه گفته می‌شود. همچنین، به دلیل جذب مداوم پرتوهای کیهانی و تابش فرابنفش خورشید، همواره مقدار اندکی یونش در جو زمین وجود دارد.

یونش می‌تواند در اثر برخورد با ذرات زیراتمی، اتم‌ها، مولکول‌ها، الکترون‌ها، پوزیترون‌ها، پروتون‌ها، پادپروتون‌ها یا یون‌ها ایجاد شود. همچنین، برهم‌کنش با تابش الکترومغناطیسی نیز می‌تواند باعث یونش شود. علاوه بر این، شکستن ناهمگن پیوندهای شیمیایی و برخی واکنش‌های جانشینی ناهمگن می‌توانند منجر به تشکیل جفت یون شوند. یونش همچنین ممکن است در طی واپاشی پرتوزا و از طریق فرایند تبدیل داخلی رخ دهد. در این حالت، هسته برانگیخته انرژی خود را به یکی از الکترون‌های لایه‌های داخلی منتقل می‌کند و باعث خروج آن از اتم می‌شود.

انواع یونش چیست؟

یونش بسته به منبع انرژی و محیط، می‌تواند به روش‌های مختلفی رخ دهد. این روش‌ها، یونش فیزیکی، یونش شیمیایی و یونش حرارتی هستند. اگرچه نتیجه همه این فرایندها تشکیل یون است، اما سازوکار ایجاد آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارد. در ادامه بررسی می‌کنیم انواع یونش چیست.

یونش فیزیکی

در یونش فیزیکی، اتم‌ها در اثر دریافت انرژی از منابعی مانند تابش‌های پرانرژی یا برخورد ذرات، الکترون از دست می‌دهند و به یون مثبت تبدیل می‌شوند. این اصل در دستگاه‌هایی مانند اتاقک یونش برای آشکارسازی تابش به کار می‌رود. در این دستگاه، تابش گاز داخل محفظه را یونیده می‌کند و یون‌های ایجادشده باعث عبور جریان الکتریکی ضعیفی می‌شوند که قابل اندازه‌گیری است.

یونش شیمیایی

یونش شیمیایی در جریان یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد. در این فرایند، با شکستن و تشکیل پیوندهای شیمیایی، یون‌ها ایجاد می‌شوند. برای مثال، هنگام حل شدن هیدروژن کلرید در آب، یون‌های $$H_3O^+$$ و $$Cl^-$$ تشکیل می‌شوند.

$$HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-$$

بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در محلول‌های آبی مانند یونش اسید ها و یونش بازها بر پایه این نوع یونش انجام می‌شوند.

یونش حرارتی

یونش حرارتی در دماهای بسیار بالا رخ می‌دهد. زمانی که ماده انرژی گرمایی کافی جذب کند، الکترون‌ها از اتم جدا می‌شوند و یون تشکیل می‌شود. این فرایند در ستارگان رایج است. در دماهای بسیار بالا، ماده به حالت پلاسما تبدیل می‌شود که در آن یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد به‌طور مستقل حرکت می‌کنند. خورشید عمدتا در این حالت قرار دارد.

کاربرد یونش چیست؟

در قسمت قبل آموختیم انواع یونش چیست. نمونه‌های رایج یونش گازها را می‌توان در لامپ‌های فلورسنت و سایر لامپ‌های تخلیه الکتریکی مشاهده کرد. یونش همچنین در آشکارسازهای تابش مانند شمارشگر گایگر-مولر و اتاقک یونش کاربرد دارد. این فرایند به‌طور گسترده در تجهیزات پژوهشی مانند طیف‌سنجی جرمی و در روش‌های درمانی مانند پرتودرمانی استفاده می‌شود. همچنین از یونش برای تصفیه هوا نیز استفاده می‌شود، هرچند برخی پژوهش‌ها به اثرات زیان‌بار این کاربرد اشاره کرده‌اند.

در ادامه می‌آموزیم مهم‌ترین کاربردهای پدیده یونش چیست.

باتری ها و الکتروشیمی

باتری‌ها به دلیل حرکت یون‌ها بین الکترودها کار می‌کنند. هنگام تامین انرژی یک وسیله، اتم‌های موجود در الکترودها با از دست دادن یا به دست آوردن الکترون به یون تبدیل می‌شوند و جریان الکتریکی را برقرار می‌کنند.

طیف سنجی جرمی

در طیف‌سنجی جرمی، اتم‌ها یا مولکول‌ها ابتدا یونیده می‌شوند تا نسبت جرم به بار آن‌ها اندازه‌گیری شود. این روش امکان شناسایی دقیق مواد ناشناخته را فراهم می‌کند.

پرتودرمانی

در پرتودرمانی، از تابش‌های یونش‌زا برای تخریب سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود. این تابش‌ها با جدا کردن الکترون‌ها از اتم‌های سلول، به آن‌ها آسیب می‌رسانند و از رشد و تکثیرشان جلوگیری می‌کنند.

نمایشگ پلاسما و تابلو نئون

نمایشگرهای پلاسما و چراغ‌های نئون بر پایه یونش گازها عمل می‌کنند. عبور جریان الکتریکی باعث یونش اتم‌های گاز شده و در نتیجه، گاز نور ساطع می‌کند.

آشکارساز دود یونشی

این آشکارسازها دارای منبع کوچکی از تابش یونش‌زا هستند که هوای داخل دستگاه را یونیده می‌کند و امکان عبور جریان الکتریکی را فراهم می‌سازد. ورود دود این جریان را مختل کرده و باعث فعال شدن هشدار می‌شود. از این آشکارسازها در سیستم‌های هشدار حریق خانگی استفاده می‌شود.

خورشید و ستارگان

خورشید و سایر ستارگان عمدتا از پلاسما تشکیل شده‌اند. دمای بسیار بالا باعث جدا شدن الکترون‌ها از اتم‌ها و تشکیل یون‌ها می‌شود. این حالت یونیده منبع تولید نور و انرژی ستارگان است. یونش در بسیاری از فناوری‌ها و پدیده‌های طبیعی نقش اساسی دارد و درک آن به شناخت بهتر عملکرد دستگاه‌ها و فرایندهای اطراف ما کمک می‌کند.

نحوه تشکیل یون ها

برای درک بهتر اینکه مفهوم یونش چیست، ابتدا باید با نحوه تشکیل یون آشنا شویم. یون زمانی تشکیل می‌شود که یک اتم یا مولکول با از دست دادن یا به دست آوردن یک یا چند الکترون، از حالت خنثی خارج شده و دارای بار الکتریکی شود. اگر الکترون از دست بدهد، کاتیون و اگر الکترون دریافت کند، آنیون تشکیل می‌شود.

یون‌های با بار منفی زمانی تشکیل می‌شوند که یک الکترون آزاد با یک اتم برخورد کند و در میدان الکتریکی آن به دام بیفتد. در این فرایند، انرژی اضافی آزاد می‌شود و اتم به یک آنیون تبدیل می‌شود. این فرایند را یونش از طریق جذب الکترون می‌نامند.

یون‌های با بار مثبت زمانی تشکیل می‌شوند که در اثر برخورد ذرات باردار مانند یون‌ها، الکترون‌ها، پوزیترون‌ها یا فوتون‌ها، انرژی کافی به یک الکترون مقید منتقل شود و آن الکترون از اتم جدا شود. حداقل انرژی لازم برای این فرایند، انرژی یونش نام دارد. مطالعه این برخوردها نقش مهمی در درک برهم‌کنش‌های میان ذرات و توسعه نظریه‌های فیزیکی دارد.

دلیل تشکیل یون ها

اتم‌ها برای رسیدن به حالت پایدار، الکترون از دست می‌دهند یا به دست می‌آورند و در نتیجه یونیده می‌شوند. یونش می‌تواند در اثر برخورد با ذرات زیراتمی، اتم‌ها، مولکول‌ها، یون‌ها یا تابش‌های الکترومغناطیسی رخ دهد. همچنین، برخی واکنش‌های شیمیایی مانند شکستن ناهمگن پیوندها و جانشینی ناهمگن نیز می‌توانند باعث تشکیل یون شوند. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این پدیده، فیلم آموزش یون و پیوند یونی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

اتم‌ها به طور طبیعی تمایل دارند انرژی خود را کاهش دهند و این کار را با کامل کردن لایه ظرفیت انجام می‌دهند. گازهای نجیب به دلیل کامل بودن لایه ظرفیت خود نیازی به یونش ندارند، اما بیشتر عناصر دیگر برای رسیدن به آرایش پایدار از قاعده هشت‌تایی پیروی می‌کنند. بر اساس این قاعده، اتم‌ها ترجیح می‌دهند با از دست دادن یا به دست آوردن کمترین تعداد الکترون، لایه ظرفیت خود را کامل کنند. برای مثال، اتمی که شش الکترون ظرفیت دارد، دریافت دو الکترون را به از دست دادن شش الکترون ترجیح می‌دهد و اتمی که دو الکترون ظرفیت دارد، با از دست دادن همان دو الکترون به پایداری می‌رسد.

فلزات قلیایی کمترین انرژی یونش را دارند، زیرا تنها یک الکترون در لایه ظرفیت خود دارند و جدا کردن آن آسان است. به طور کلی، هرچه خاصیت فلزی عنصر بیشتر باشد، جدا کردن الکترون آسان‌تر و انرژی یونش آن کمتر خواهد بود. شناخت تغییرات انرژی یونش، نقش مهمی در درک رفتار شیمیایی عناصر و پیش‌بینی واکنش‌های شیمیایی دارد.

انرژی یونش اتم ها

در قسمت های قبل آموختیم مفهوم یونش چیست. حداقل انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یک اتم یا مولکول، انرژی یونش نام دارد. این مقدار به نوع عنصر و ساختار الکترونی آن بستگی دارد. هرچه الکترون‌های ظرفیت به هسته نزدیک‌تر باشند، جدا کردن آن‌ها دشوارتر است و انرژی یونش افزایش می‌یابد. به همین دلیل، گازهای نجیب مانند هلیم و نئون انرژی یونش بالایی دارند، در حالی که فلزات قلیایی مانند سزیم و فرانسیم به انرژی کمتری برای یونش نیاز دارند. همچنین، جدا کردن هر الکترون بعدی به انرژی بیشتری نسبت به الکترون قبلی نیاز دارد.

این فرایند همواره گرماگیر است، زیرا اتم برای جدا کردن الکترون باید انرژی جذب کند. انرژی یونش همچنین معیاری از میزان جاذبه بین هسته و الکترون‌های اتم به شمار می‌رود. هرچه این جاذبه بیشتر باشد، جدا کردن الکترون دشوارتر بوده و انرژی یونش نیز بیشتر خواهد بود. انرژی یونش در فیزیک و شیمی با واحدهای متفاوتی بیان می‌شود. در فیزیک، این کمیت با واحد eV (الکترون‌ولت) و در شیمی با واحد kJ/mol (کیلوژول بر مول) اندازه‌گیری می‌شود.

انرزی یونش دوم چیست؟

انرژی یونش را می‌توان به انرژی یونش اول و دوم تقسیم کرد. انرژی یونش اول، حداقل انرژی لازم برای جدا کردن نخستین الکترون از یک اتم خنثی در حالت گازی و تشکیل یون ۱+ است. پس از آن، برای جدا کردن دومین الکترون از یون حاصل، به انرژی بیشتری نیاز است که انرژی یونش دوم نامیده می‌شود. در این مرحله، یون ۱+ به یون ۲+ تبدیل می‌شود. از آنجا که پس از جدا شدن الکترون اول، جاذبه هسته بر الکترون‌های باقی‌مانده بیشتر می‌شود، انرژی یونش دوم همواره از انرژی یونش اول بیشتر است.

عوامل موثر بر انرژی یونش چیست؟

انرژی یونش مواد به عوامل مختلفی مانند اندازه اتم، بار هسته و اثر پوششی الکترون بستگی دارد. هر یک از این موارد مسبب تغییر انرژی یونش به صورت دوره ای در جدول تناوبی است. در ادامه می‌آموزیم عوامل موثر بر انرژی یونش چیست.

اندازه اتم

در اتم‌های بزرگ‌تر، الکترون‌های بیرونی فاصله بیشتری از هسته دارند. در نتیجه، نیروی جاذبه بین هسته و الکترون ضعیف‌تر می‌شود و برای جدا کردن الکترون انرژی کمتری لازم است.

بار هسته

اتم‌هایی که تعداد پروتون بیشتری دارند، جاذبه قوی‌تری بر الکترون‌های خود وارد می‌کنند. هرچه بار هسته بیشتر باشد، انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون نیز بیشتر خواهد بود.

اثر پوششی الکترون درونی

الکترون‌های لایه‌های داخلی، الکترون‌های بیرونی را دفع می‌کنند و کشش موثر هسته را کاهش می‌دهند. بنابراین، هرچه اثر پوششی بیشتر باشد، انرژی یونش کمتر می‌شود.

روند تغییر انرژی یونش

به طور کلی، انرژی یونش در جدول تناوبی از چپ به راست افزایش و از بالا به پایین کاهش می‌یابد. به همین دلیل، عناصر گروه گازهای نجیب که لایه ظرفیت کاملا پر دارند، بیشترین انرژی یونش را دارند، در حالی که عناصر گروه فلزات قلیایی با داشتن تنها یک الکترون ظرفیت، کمترین انرژی یونش را نشان می‌دهند. روند تغییرات انرژی یونش اتم‌ها معمولا برای نشان دادن رفتار تناوبی عناصر بر حسب عدد اتمی استفاده می‌شود. این روند که در جدول تناوبی مشاهده می‌شود، ابزار مفیدی برای درک نحوه آرایش الکترون‌ها در اوربیتال‌های اتمی است، بدون آن‌که نیازی به بررسی جزئیات پیچیده تابع موج یا فرایند یونش باشد.

برای مثال، کاهش ناگهانی انرژی یونش پس از گازهای نجیب نشان‌دهنده آغاز یک لایه الکترونی جدید در فلزات قلیایی است. همچنین، بیشینه‌های موضعی انرژی یونش در هر دوره، بیانگر پر شدن زیرلایه‌های s، p، d و f هستند. عواملی مانند تعداد الکترون‌های ظرفیت، تراز اصلی انرژی، آرایش الکترونی و میل الکترونی نیز بر انرژی یونش تاثیر می‌گذارند. البته این روند کلی است و استثناهایی نیز وجود دارد. برای مثال، انرژی یونش اول بور کمتر از بریلیم و انرژی یونش اول اکسیژن کمتر از نیتروژن است. با وجود این استثناها، روند کلی تغییرات انرژی یونش در جدول تناوبی همچنان برقرار است و از آن می‌توان برای بررسی خواص و جایگاه عناصر در جدول تناوبی استفاده کرد.

گاز نجیب

گازهای نجیب در انتهای هر دوره قرار دارند و لایه ظرفیت آن‌ها کامل است. این آرایش الکترونی پایدار باعث می‌شود الکترون‌های آن‌ها به‌شدت به هسته متصل باشند. بنابراین، جدا کردن یک الکترون به انرژی زیادی نیاز دارد و به همین دلیل، گازهای نجیب به‌ندرت یون تشکیل می‌دهند یا در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند.

فلزات قلیایی

فلزات قلیایی در ابتدای هر دوره قرار دارند و تنها یک الکترون در لایه ظرفیت خود دارند. این الکترون از هسته فاصله بیشتری دارد و به دلیل اثر پوششی، با نیروی نسبتا ضعیفی به هسته متصل است. در نتیجه، برای جدا کردن آن انرژی کمی لازم است و این عناصر انرژی یونش پایینی دارند.

به همین دلیل، فلزات قلیایی بسیار واکنش‌پذیر هستند و به‌راحتی با نافلزها، آب و اسیدها واکنش داده و یون‌های مثبت تشکیل می‌دهند. همچنین، واکنش‌پذیری آن‌ها در یک گروه از بالا به پایین افزایش می‌یابد، زیرا فاصله الکترون ظرفیت از هسته بیشتر می‌شود.

استثناهای روند انرژی یونش چیست؟

دو استثنای مهم در روند تغییرات انرژی یونش در ادامه توضیح داده شده است.

• بین بریلیم و بور: بور انرژی یونش کمتری از بریلیم دارد، زیرا نخستین الکترون زیرلایه 2p آن آسان‌تر جدا می‌شود.
• بین نیتروژن و اکسیژن: اکسیژن انرژی یونش کمتری از نیتروژن دارد، زیرا جفت شدن الکترون‌ها در یکی از اوربیتال‌های 2p باعث افزایش دافعه بین آن‌ها و آسان‌تر شدن جدا شدن الکترون می‌شود.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با یونش عناصر جدول تناوبی و بار یون‌هایی که از فرآیند یونش آن ها تشکیل می‌شود، مطلب بارهای جدول تناوبی مجله فرادرس را مطالعه کنید.

ویژگی های انرژی یونش

ویژگی‌های انرژی یونش به درک رفتار اتم‌ها و روند تغییرات این کمیت در جدول تناوبی کمک می‌کنند. در ادامه ویژگی‌های انرژی یونش را توضیح می‌دهیم.

• فرایندی گرماگیر است.
• IE1 (یونش اول) کمترین مقدار را دارد.
• انرژی‌های یونش به‌ترتیب افزایش می‌یابند.
• با افزایش اندازه اتم، انرژی یونش کاهش می‌یابد.
• با کاهش شعاع اتمی، انرژی یونش افزایش می‌یابد.
• تعداد پروتون‌ها در یونش ثابت می‌ماند.
• در یک دوره افزایش می‌یابد.
• در یک گروه کاهش می‌یابد.
• معیار واکنش‌پذیری عناصر است.
• در پیش‌بینی نوع پیوند شیمیایی کاربرد دارد.

دلیل وجود انرژی یونش چیست؟

انرژی یونش به این دلیل لازم است که الکترون‌ها به وسیله نیروی جاذبه الکترواستاتیکی به هسته با بار مثبت جذب می‌شوند. برای جدا کردن یک الکترون، باید انرژی کافی برای غلبه بر این نیروی جاذبه تامین شود. اگر جاذبه بین هسته و الکترون قوی باشد، انرژی بیشتری برای جدا کردن الکترون لازم است و انرژی یونش افزایش می‌یابد.

در مقابل، اگر این جاذبه ضعیف باشد، الکترون آسان‌تر جدا می‌شود و انرژی یونش کمتر خواهد بود. به همین دلیل، فلزها به‌راحتی الکترون از دست می‌دهند، در حالی که نافلزها الکترون‌های خود را محکم‌تر نگه می‌دارند.

نمونه سوال انرژی یونش

برای درک بهتر مفهوم انرژی یونش، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

بین عناصر سدیم و منیزیم، کدام عنصر اولین انرژی یونش بیشتری دارد؟

پاسخ

سدیم و منیزیم در یک دوره قرار دارند. انرژی یونش در یک دوره از چپ به راست افزایش می‌یابد، زیرا بار موثر هسته بیشتر می‌شود.

مثال ۲

عنصری با آرایش الکترونی زیر را در نظر بگیرید. بیشترین افزایش انرژی یونش پس از جدا شدن کدام الکترون رخ می‌دهد؟

$$1s^22s^22p^63s^1$$

پاسخ

این عنصر تنها یک الکترون ظرفیت دارد. پس از جدا شدن این الکترون، آرایش الکترونی گاز نجیب به دست می‌آید. جدا کردن الکترون بعدی نیازمند خارج کردن الکترونی از یک لایه داخلی است، بنابراین انرژی یونش بین اولین و دومین انرژی یونش به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

رابطه یونش و آرایش الکترونی

آرایش الکترونی نیز نقش مهمی در یونش دارد. اتم‌ها تمایل دارند با از دست دادن یا به دست آوردن الکترون به آرایش پایدار برسند. برای مثال، هیدروژن با دریافت یا اشتراک یک الکترون و سدیم با از دست دادن تنها الکترون ظرفیت خود به پایداری می‌رسند. در واکنش بین سدیم و کلر، سدیم الکترون ظرفیت خود را به کلر منتقل می‌کند و ترکیب یونی NaCl تشکیل می‌شود.

با بررسی مثال های زیر می‌آموزیم رابطه آرایش الکترونی و یونش چیست.

مثال ۱: سدیم (Na)

سدیم دارای آرایش الکترونی زیر است.

$$1s^22s^22p^63s^1$$

تنها الکترون موجود در اوربیتال 3s، الکترون ظرفیت سدیم است. با از دست دادن این یک الکترون، سدیم به آرایش الکترونی پایدار گاز نجیب نئون می‌رسد. به همین دلیل، سدیم در فرایند یونش به‌راحتی این الکترون را از دست می‌دهد.

پس از یونش آرایش الکترونی به شکل زیر در می‌آید.

$$Na^+:1s^22s^22p^6$$

از آنجا که تنها یک الکترون حذف می‌شود و یون حاصل دارای لایه ظرفیت کامل است، سدیم انرژی یونش اول نسبتا کمی دارد و به‌راحتی یون $$Na^+$$ را تشکیل می‌دهد.

مثال ۲: منیزیم (Mg)

منیزیم دارای آرایش الکترونی زیر است.

$$1s^22s^22p^63s^2$$

منیزیم دو الکترون ظرفیت دارد و تمایل دارد هر دو را از دست بدهد تا به آرایش الکترونی پایدار نئون برسد. در یونش اول آرایش الکترونی به شکل زیر است.

$$Mg\rightarrow Mg^++e^-$$

در یونش دوم آرایش الکترونی به شکل زیر است.

$$Mg^+\rightarrow Mg^{2+}+e^-$$

پس از یونش آرایش الکترونی به شکل زیر در می‌آید.

$$Mg^{2+}:1s^22s^22p^6$$

انرژی یونش اول و دوم نسبتا کم است، زیرا هر دو الکترون از اوربیتال 3s جدا می‌شوند. اما جدا کردن الکترون سوم نیازمند خارج کردن یک الکترون از زیرلایه پرشده 2p است که باعث افزایش بسیار زیاد انرژی یونش می‌شود.

مثال ۳: کلر (Cl)

کلر دارای آرایش الکترونی زیر است.

$$1s^22s^22p^63s^23p^5$$

لایه ظرفیت کلر شامل هفت الکترون است، بنابراین تنها به یک الکترون دیگر نیاز دارد تا قانون هشت‌تایی را کامل کند. به‌جای از دست دادن هفت الکترون، کلر یک الکترون به دست می‌آورد. پس از دریافت یک الکترون آرایش الکترونی به شکل زیر در می‌آید.

$$Cl^-:1s^22s^22p^63s^23p^6$$

این آرایش الکترونی مشابه گاز نجیب و بسیار پایدار است. به همین دلیل، کلر انرژی یونش بالایی دارد، اما تمایل زیادی به دریافت یک الکترون و تشکیل یون $$Cl^-$$ نشان می‌دهد.

یونش اسید و باز

یونش اسید و باز فرایندی است که در آن مولکول‌های اسید یا باز هنگام حل شدن در آب به یون‌های سازنده خود تبدیل می‌شوند. در این فرایند، اسیدها با آزاد کردن یون $$H^+$$ (که در محلول آبی به صورت $$H_3O^+$$ وجود دارد) و بازها با آزاد کردن یون $$OH^-$$ یا پذیرش یون $$H^+$$، در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند.

میزان یونش هر اسید یا باز به قدرت آن بستگی دارد، به طوری که اسیدها و بازهای قوی تقریبا به طور کامل یونیده می‌شوند، در حالی که اسیدها و بازهای ضعیف تنها بخشی از مولکول‌های خود را به یون تبدیل می‌کنند. بر اساس نظریه آرنیوس، اسیدها و بازها موادی هستند که هنگام حل شدن در آب، یون تولید می‌کنند. در این نظریه، اسید ماده‌ای است که در محلول آبی یون $$H^+$$ (یا به صورت واقعی‌تر $$H_3O^+$$) تولید می‌کند، در حالی که باز ماده‌ای است که یون $$OH^-$$ آزاد می‌کند.

برای مثال، اسید کلریدریک در آب به صورت زیر یونیده می‌شود.

$$HCl_{(aq)} \rightarrow H^+ + Cl^-$$

هیدروکسید پتاسیم نیز در آب به صورت زیر یونیده می‌شود.

$$KOH_{(aq)} \rightarrow K^+ + OH^-$$

توضیح نظریه آرنیوس

از دیدگاه آرنیوس، یونش اسیدها و بازها یک فرایند تعادلی و پویا است. اگر یک اسید را به صورت کلی با $$HA$$ نشان دهیم، واکنش یونش آن در آب به شکل زیر خواهد بود. یونش اسیدها یک فرایند تعادلی و برگشت‌پذیر است.

$$HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^-$$

هرچه اسید تمایل بیشتری به آزاد کردن پروتون داشته باشد، تعادل بیشتر به سمت تشکیل یون‌ها جابه‌جا می‌شود و اسید قوی‌تر خواهد بود. همچنین، هرچه اسید قوی‌تر باشد، باز مزدوج آن ضعیف‌تر است.

یونش اسیدها

قدرت اسید به درجه یونش آن بستگی دارد. اسیدهای قوی تقریبا به طور کامل در آب یونیده می‌شوند، در حالی که اسیدهای ضعیف تنها بخشی از مولکول‌های خود را یونیده می‌کنند. ثابت یونش اسید با نماد $$K_a$$ بیان می‌شود و از رابطه زیر به دست می‌آید.

$$K_a=\frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}$$

هرچه مقدار $$K_a$$ بزرگ‌تر باشد، اسید قوی‌تر است. اگر تمایل $$HA$$ به واگذاری پروتون بیشتر از $$H_3O^+$$ باشد، $$HA$$ اسید قوی‌تری محسوب می‌شود. در تعادل اسید و باز، همواره واکنش به سمتی پیش می‌رود که اسید و باز ضعیف‌تر تشکیل شوند. به همین دلیل، اسیدهای قوی دارای باز مزدوج ضعیف و بازهای قوی دارای اسید مزدوج ضعیف هستند. از آنجا که آب حلال واکنش است، فعالیت آن برابر با 1 در نظر گرفته می‌شود و در نتیجه در رابطه ثابت تعادل ظاهر نمی‌شود.

یونش بازها

بازهای قوی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید لیتیم در آب تقریبا به طور کامل به یون‌های خود تفکیک می‌شوند. واکنش کلی یونش یک باز را می‌توان به صورت زیر نوشت.

$$A + H_2O \rightleftharpoons OH^- + HA^+$$

ثابت یونش باز با نماد $$K_b$$ از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

$$K_b=\frac{[OH^-][HA^+]}{[A]}$$

هرچه مقدار $$K_b$$ بزرگ‌تر باشد، باز قوی‌تر است. مانند سایر ثابت‌های تعادل، ثابت‌های یونش اسید و باز بر اساس فعالیت گونه‌ها تعریف می‌شوند و در نتیجه کمیت‌هایی بدون واحد هستند. هرچه مقدار $$K_b$$ بزرگ‌تر باشد، باز قوی‌تر است و در حالت تعادل، غلظت یون $$OH^-$$ بیشتر خواهد بود. مانند ثابت یونش اسید، $$K_b$$ نیز کمیتی بدون واحد است و بر اساس فعالیت گونه‌های شیمیایی تعریف می‌شود.

مثال یونش اسید و باز

برای درک بهتر نحوه نوشتن واکنش یونش اسید و باز، به واکنش یونش استیک اسید و آمونیوم هیدروکسید دقت کنید.

یونش اسید استیک:

$$CH_3COOH+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++CH_3COO^-$$

یونش هیدروکسید آمونیوم:

$$NH_4OH+H_2O\rightleftharpoons NH_4^++OH^-$$

رابطه بین ثابت یونش اسید و ثابت یونش باز

بین مقدار ثابت یونش اسید $$K_a$$ و ثابت یونش باز مزدوج آن $$K_b$$ رابطه ساده‌ای وجود دارد. برای مثال، یونش اسید هیدروسیانیک $$HCN$$ در آب و واکنش یون سیانید $$CN^-$$ با آب به صورت زیر است.

$$HCN+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++CN^-$$

$$CN^-+H_2O\rightleftharpoons HCN+OH^-$$

رابطه ثابت یونش اسید هیدروسیانیک به صورت زیر نوشته می‌شود.

$$K_a=\frac{[H_3O^+][CN^-]}{[HCN]}$$

رابطه ثابت یونش باز برای یون سیانید نیز به صورت زیر است.

$$K_b=\frac{[HCN][OH^-]}{[CN^-]}$$

با جمع کردن دو واکنش بالا، گونه‌های مشترک حذف شده و واکنش خودیونش آب به دست می‌آید.

$$2H_2O\rightleftharpoons H_3O^++OH^-$$

این نتیجه نشان می‌دهد که بین مقادیر $$K_a$$ و $$K_b$$ یک رابطه مستقیم وجود دارد و حاصل‌ضرب آن‌ها برابر با ثابت خودیونش آب است.

$$K_a\times K_b=K_w$$

نمونه سوال ثابت یونش

برای درک بهتر مفهوم و فرمول ثابت یونش، به سوالات زیر دقت کنید.

مثال ۱

غلظت‌های تعادلی یک اسید ضعیف به صورت زیر است. مقدار ثابت یونش را محاسبه کنید.

• $$[H_3O^+]=0.020\ M$$
• $$[A^-]=0.020\ M$$
• $$[HA]=0.10\ M$$

پاسخ

برای پاسخ به این سوال از رابطه ثابت یونش استفاده می‌کنیم.

$$K_a=\frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}=\frac{(0.020)(0.020)}{0.10}=4.0\times10^{-3}$$

مثال ۲

غلظت‌های تعادلی یک باز ضعیف به صورت زیر است. مقدار ثابت یونش باز را محاسبه کنید.

• $$[OH^-]=0.010\ M$$
• $$[HA^+]=0.010\ M$$
• $$[A]=0.20\ M$$

پاسخ

از رابطه ثابت یونش باز استفاده می‌کنیم.

$$K_b=\frac{[OH^-][HA^+]}{[A]}=\frac{(0.010)(0.010)}{0.20}=5.0\times10^{-4}$$

مثال ۳

اگر مقدار ثابت یونش یک اسید و مقدار ثابت یونش آب برابر با مقادیر زیر باشد، میزان ثابت یونش باز مزدوج آن را محاسبه کنید.

• $$K_a=2.0\times10^{-5}$$
• $$K_w=1.0\times10^{-14}$$

پاسخ

از رابطه بین $$K_a$$ و $$K_b$$ استفاده می‌کنیم.

$$K_b=\frac{K_w}{K_a}=\frac{1.0\times10^{-14}}{2.0\times10^{-5}}=5.0\times10^{-10}$$

درجه یونش چیست؟

درجه یونش، نسبت تعداد مولکول‌هایی است که در یک ماده دچار یونش یا تفکیک شده‌اند به تعداد کل مولکول‌های آن ماده. این کمیت نشان می‌دهد چه کسری از مولکول‌های یک ترکیب در محلول به یون تبدیل شده‌اند و با نماد $$\alpha$$ نمایش داده می‌شود.

در صورتی که درجه یونش یک ماده برابر با $$1$$ باشد، آن ماده به طور کامل یونیده شده است. همچنین، درصد یونش از تقسیم غلظت گونه یونیده‌شده بر غلظت اولیه ماده و ضرب آن در ۱۰۰ به دست می‌آید. اسیدها و بازهای قوی به دلیل درجه یونش بالا، مقادیر بزرگ‌تری از $$K_a$$ و $$K_b$$ دارند.

نمونه سوال درجه یونش

برای درک بهتر مفهوم درجه یونش، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

غلظت اولیه یک اسید ضعیف برابر با ۰٫۲ مولار است. در حالت تعادل۷ ۰٫۰۵ مولار از اسید یونیده شده است. مقدار درجه یونش آن را محاسبه کنید.

پاسخ

درجه یونش از نسبت غلظت یونیده‌شده به غلظت اولیه به دست می‌آید.

$$\alpha=\frac{0.050}{0.20}=0.25$$

مثال ۲

غلظت اولیه یک باز ضعیف برابر با ۰٫۴ مولار است. در حالت تعادل ۰٫۰۲ مولار از آن یونیده شده است. درصد یونش را محاسبهه کنید.

پاسخ

درصد یونش از ضرب درجه یونش در عدد ۱۰۰ به دست می‌آید.

$$\%\ ionization=\frac{0.020}{0.40}\times100=5\%$$

فلش کارت فرمول های یونش

در ادامه مهم‌ترین فرمول‌های مرتبط با یونش ارائه شده در این مطلب، در قالب فلش‌کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر می‌توانید مفاهیم و فرمول‌های مربوط به آن را مشاهده کنید.

آزمون سنجش یادگیری

برای درک بهتر آنچه در این مطلب از مجله فرادرس آموختید، به سوالات زیر پاسخ دهید. در نهایت پس از پاسخدهی به تمامی سوالات می‌توانید با کلیک بر روی گزینه «دریافت نتیجه آزمون»، تعداد پاسخ‌های صحیح و نمره نهایی خود را مشاهده کنید.