Énergie d’ionisation
Suivant l’ordre d’importance pour déterminer le nombre et le type de liaisons chimiques qu’un atome peut former est l’énergie d’ionisation de l’élément. C’est l’énergie minimale nécessaire pour retirer un électron d’un atome de l’élément. L’énergie est nécessaire parce que tous les électrons d’un atome sont attirés par la charge positive du noyau, et il faut travailler pour entraîner l’électron hors de l’atome pour produire un cation. La formation de liaisons chimiques provient du transfert ou du partage d’électrons, et l’énergie nécessaire pour éliminer un électron est donc un critère crucial dans la capacité d’un atome à former une liaison.
En termes généraux, la variation des énergies d’ionisation dans le tableau périodique reflète la variation des rayons atomiques, les petits atomes ayant généralement des énergies d’ionisation élevées et les gros atomes ayant généralement de petites énergies. Ainsi, les éléments avec les énergies d’ionisation les plus faibles (et donc dont un électron est le plus facilement éliminé) se trouvent en bas à gauche du tableau périodique, près du césium et du francium, et les éléments avec les énergies d’ionisation les plus élevées se trouvent en haut à droite du tableau, près du fluor et de l’hélium. La variation de l’énergie d’ionisation est en corrélation avec la variation du rayon atomique car un électron de valence dans un atome volumineux est en moyenne éloigné du noyau et n’éprouve donc qu’une faible attraction pour celui-ci. D’autre part, un électron de valence dans un petit atome est proche de son noyau parent et est soumis à une forte force d’attraction.
À ce stade, l’inertie relative des gaz rares peut en partie s’expliquer. Ils se trouvent à droite dans le tableau périodique et les membres de la famille les plus proches de l’hélium (à savoir le néon et l’argon) ont des énergies d’ionisation parmi les plus élevées de tous les éléments. Ainsi, leurs électrons ne sont pas facilement disponibles pour la formation de liaisons. Ce n’est que plus bas dans le groupe, au krypton et au xénon, que les énergies d’ionisation deviennent comparables à celles d’autres éléments, et ces éléments peuvent être amadoués en formation de composés par des réactifs suffisamment agressifs (notamment par le fluor).
Une caractéristique importante de l’énergie d’ionisation est que l’énergie nécessaire pour éliminer un deuxième électron d’un atome est toujours supérieure à l’énergie nécessaire pour éliminer le premier électron. Une fois qu’un électron a été retiré, il y a moins d’électrons pour se repousser dans le cation, donc plus de travail doit être fait pour éloigner l’électron suivant du noyau. Il en va de même pour le troisième électron, qui est encore moins disponible que le deuxième électron. Cependant, un point important est que, si un électron doit être retiré du noyau de l’atome (comme c’est le cas pour un deuxième électron retiré du sodium), l’énergie d’ionisation peut être extrêmement élevée et impossible à atteindre au cours d’une réaction chimique typique (comme cela sera justifié ci-dessous). La raison des énergies d’ionisation élevées des électrons du noyau est en grande partie que ces électrons se trouvent beaucoup plus près du noyau que les électrons de valence, et donc ils sont saisis par celui-ci beaucoup plus fortement.
Il est de règle générale que pour les éléments à gauche du tableau périodique, qui ont un, deux ou trois électrons dans leurs coquilles de valence, il est possible d’obtenir une énergie suffisante dans les réactions chimiques pour leur élimination, mais pas assez d’énergie disponible pour éliminer les électrons des coquilles internes. Par conséquent, le sodium peut former des ions Na +, le magnésium peut former des ions Mg2 + et l’aluminium peut former des ions Al3 +.
L’une des raisons de l’importance des configurations de gaz rares dans la formation de liaisons chimiques devient maintenant évidente. Une fois qu’une configuration de gaz noble à coque fermée est obtenue, l’élimination immédiate des électrons pour former des cations cesse (de même que la possibilité d’élimination partielle des électrons pour le partage requis dans la formation de liaisons covalentes, comme discuté ci-dessous). Une grande barrière énergétique est rencontrée lorsque l’on va au-delà de l’élimination des électrons de valence d’un atome.
Les énergies d’ionisation ne sont pas en corrélation exacte avec les rayons atomiques, car il existe d’autres influences au-delà de la distance de l’électron par rapport au noyau qui déterminent l’énergie nécessaire pour éliminer un électron. Ces influences incluent les détails de l’occupation des orbitales dans la coquille de valence. Une fois de plus, l’origine d’une autre possibilité de concurrence apparaît, dans ce cas entre les effets qui découlent de la taille seule et ceux qui sont déterminés par les besoins énergétiques pour l’ionisation.