Ionisationsenergie
Weiter in der Reihenfolge der Bedeutung für die Bestimmung der Anzahl und Art der chemischen Bindungen, die ein Atom bilden kann, ist die Ionisationsenergie des Elements. Es ist die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Atom des Elements zu entfernen. Die Energie wird benötigt, weil alle Elektronen eines Atoms von der positiven Ladung des Kerns angezogen werden, und es muss daran gearbeitet werden, das Elektron vom Atom zu ziehen, um ein Kation zu erzeugen. Die chemische Bindungsbildung beruht auf der Übertragung oder dem Teilen von Elektronen, und daher ist die Energie, die zum Entfernen eines Elektrons erforderlich ist, ein entscheidendes Kriterium für die Fähigkeit eines Atoms, eine Bindung einzugehen.
Im Großen und Ganzen spiegelt die Variation der Ionisationsenergien im gesamten Periodensystem die Variation der Atomradien wider, wobei kleine Atome typischerweise hohe Ionisationsenergien und große Atome gewöhnlich kleine haben. Somit befinden sich die Elemente mit den niedrigsten Ionisationsenergien (und daher, von denen ein Elektron am leichtesten entfernt wird) unten links im Periodensystem in der Nähe von Cäsium und Francium und Elemente mit den höchsten Ionisationsenergien oben rechts im Periodensystem in der Nähe von Fluor und Helium. Die Variation der Ionisationsenergie korreliert mit der Variation des Atomradius, da ein Valenzelektron in einem sperrigen Atom im Durchschnitt weit vom Kern entfernt ist und daher nur eine schwache Anziehung zu ihm erfährt. Andererseits befindet sich ein Valenzelektron in einem kleinen Atom in der Nähe seines Mutterkerns und unterliegt einer starken Anziehungskraft.
An dieser Stelle kann zum Teil die relative Inertheit der Edelgase erklärt werden. Sie liegen rechts im Periodensystem, und die Mitglieder der Familie, die Helium am nächsten sind (nämlich Neon und Argon), haben Ionisationsenergien, die zu den höchsten aller Elemente gehören. Daher stehen ihre Elektronen für die Bindungsbildung nicht ohne weiteres zur Verfügung. Nur niedriger in der Gruppe, bei Krypton und Xenon, werden die Ionisationsenergien mit denen anderer Elemente vergleichbar, und diese Elemente können durch ausreichend aggressive Reagenzien (vor allem durch Fluor) zur Verbindungsbildung überredet werden.
Ein wichtiges Merkmal der Ionisationsenergie ist, dass die Energie, die benötigt wird, um ein zweites Elektron aus einem Atom zu entfernen, immer höher ist als die Energie, die benötigt wird, um das erste Elektron zu entfernen. Sobald ein Elektron entfernt wurde, gibt es weniger Elektronen, die sich gegenseitig im Kation abstoßen, so dass mehr Arbeit geleistet werden muss, um das nächste Elektron vom Kern weg zu ziehen. Gleiches gilt für das dritte Elektron, das noch weniger verfügbar ist als das zweite Elektron. Ein wichtiger Punkt ist jedoch, dass, wenn ein Elektron aus dem Kern des Atoms entfernt werden muss (wie dies bei einem zweiten Elektron aus Natrium der Fall ist), die Ionisationsenergie außerordentlich hoch sein kann und im Verlauf einer typischen chemischen Reaktion nicht erreichbar ist (wie unten erläutert). Der Grund für die hohen Ionisationsenergien von Kernelektronen liegt vor allem darin, dass diese Elektronen viel näher am Kern liegen als die Valenzelektronen und somit viel stärker von diesem erfasst werden.
Es ist eine allgemeine Regel, dass für Elemente auf der linken Seite des Periodensystems, die ein, zwei oder drei Elektronen in ihren Valenzschalen haben, in chemischen Reaktionen genügend Energie für ihre Entfernung erreichbar ist, aber nicht genug Energie zur Verfügung steht, um Elektronen aus inneren Schalen zu entfernen. Daher kann Natrium Na + -Ionen bilden, Magnesium kann Mg2 + -Ionen bilden und Aluminium kann Al3 + -Ionen bilden.
Ein Grund für die Bedeutung von Edelgaskonfigurationen bei der chemischen Bindungsbildung wird nun offensichtlich. Sobald eine Edelgaskonfiguration mit geschlossener Schale erhalten ist, hört die vollständige Entfernung von Elektronen zur Bildung von Kationen auf (ebenso wie die Möglichkeit zur teilweisen Entfernung von Elektronen für die bei der Bildung von kovalenten Bindungen erforderlichen Vorgänge, wie unten erörtert). Eine große Energiebarriere tritt auf, wenn man über die Entfernung der Valenzelektronen eines Atoms hinausgeht.
Ionisationsenergien korrelieren nicht genau mit Atomradien, weil es andere Einflüsse jenseits der Entfernung des Elektrons vom Kern gibt, die die Energie bestimmen, die benötigt wird, um ein Elektron zu entfernen. Diese Einflüsse umfassen die Details der Besetzung der Orbitale in der Valenzschale. Wieder einmal wird der Ursprung einer weiteren Möglichkeit des Wettbewerbs deutlich, in diesem Fall zwischen Effekten, die allein von der Größe herrühren, und solchen, die durch den Energiebedarf für die Ionisation bestimmt werden.