Energía de ionización
El siguiente orden de importancia para determinar el número y el tipo de enlaces químicos que un átomo puede formar es la energía de ionización del elemento. Es la energía mínima necesaria para eliminar un electrón de un átomo del elemento. La energía es necesaria porque todos los electrones de un átomo son atraídos por la carga positiva del núcleo, y se debe trabajar para arrastrar el electrón fuera del átomo para producir un catión. La formación de enlaces químicos se deriva de la transferencia o el intercambio de electrones, por lo que la energía requerida para eliminar un electrón es un criterio crucial en la capacidad de un átomo para formar un enlace.
En términos generales, la variación de las energías de ionización a lo largo de la tabla periódica refleja la variación en los radios atómicos, con átomos pequeños que típicamente tienen altas energías de ionización y átomos grandes que generalmente tienen pequeños. Por lo tanto, los elementos con las energías de ionización más bajas (y por lo tanto de los que se elimina más fácilmente un electrón) se encuentran en la parte inferior izquierda de la tabla periódica, cerca de cesio y francio, y los elementos con las energías de ionización más altas se encuentran en la parte superior derecha de la tabla, cerca del flúor y el helio. La variación en la energía de ionización se correlaciona con la variación en el radio atómico porque un electrón de valencia en un átomo voluminoso está en promedio lejos del núcleo y, por lo tanto, experimenta solo una atracción débil hacia él. Por otro lado, un electrón de valencia en un átomo pequeño está cerca de su núcleo padre y está sujeto a una fuerte fuerza de atracción.
En este punto, la inercia relativa de los gases nobles puede explicarse en parte. Se encuentran a la derecha en la tabla periódica, y los miembros de la familia que están más cerca del helio (es decir, el neón y el argón) tienen energías de ionización que se encuentran entre los elementos más elevados. Por lo tanto, sus electrones no están fácilmente disponibles para la formación de enlaces. Solo en el grupo inferior, en kriptón y xenón, las energías de ionización se vuelven comparables a las de otros elementos, y estos elementos pueden ser inducidos a la formación de compuestos por reactivos suficientemente agresivos (especialmente por flúor).
Una característica importante de la energía de ionización es que la energía requerida para eliminar un segundo electrón de un átomo es siempre mayor que la energía necesaria para eliminar el primer electrón. Una vez que se ha eliminado un electrón, hay menos electrones para repelerse entre sí en el catión, por lo que se debe hacer más trabajo para arrastrar el siguiente electrón lejos del núcleo. Lo mismo es cierto para el tercer electrón, que está aún menos disponible que el segundo electrón. Sin embargo, un punto importante es que, si un electrón necesita ser eliminado del núcleo del átomo (como es el caso de un segundo electrón eliminado del sodio), entonces la energía de ionización puede ser extremadamente alta y no alcanzable en el curso de una reacción química típica (como se justificará más adelante). La razón de las altas energías de ionización de los electrones del núcleo es en gran medida que estos electrones se encuentran mucho más cerca del núcleo que los electrones de valencia, y por lo tanto son agarrados por él con mucha más fuerza.
Es una regla general que para los elementos de la izquierda en la tabla periódica, que tienen uno, dos o tres electrones en sus capas de valencia, se puede obtener suficiente energía en reacciones químicas para su eliminación, pero no hay suficiente energía disponible para eliminar cualquier electrón de las capas internas. Por lo tanto, el sodio puede formar iones Na+, el magnesio puede formar iones Mg2+ y el aluminio puede formar iones Al3+.
Una de las razones de la importancia de las configuraciones de gases nobles en la formación de enlaces químicos ahora se hace evidente. Una vez que se obtiene una configuración de gas noble, de capa cerrada, cesa la eliminación lista de electrones para formar cationes (al igual que la oportunidad de la eliminación parcial de electrones para el intercambio requerido en la formación de enlaces covalentes, como se discute a continuación). Se encuentra una gran barrera de energía cuando se va más allá de la eliminación de los electrones de valencia de un átomo.
Las energías de ionización no se correlacionan exactamente con los radios atómicos, porque hay otras influencias más allá de la distancia del electrón del núcleo que determinan la energía necesaria para eliminar un electrón. Estas influencias incluyen los detalles de la ocupación de los orbitales en la concha de valencia. Una vez más, se pone de manifiesto el origen de otra posibilidad de competencia, en este caso entre los efectos que se derivan únicamente del tamaño y los que están determinados por las necesidades de energía para la ionización.