DieIonisierungsenergie (auchIonisationsenergie,Ionisierungspotential,Ionisierungsenthalpie) ist dieEnergie, die benötigt wird, um ein in der Gasphase befindlichesAtom oderMolekül zuionisieren, d. h., um einElektron vom Atom oder Molekül zu trennen. Die benötigte Energie kann durchStrahlung, durch hohe Temperaturen oder durch chemische Reaktionen geliefert werden. In derAtomphysik wird die Ionisierungsenergie auch alsBindungsenergie bezeichnet.
Nach der Ionisierung hat ein vorher elektrisch neutrales Atom oder Molekül eine positiveelektrische Ladung. Die vorher ausgeglichene Ladungsdifferenz zwischenAtomkern(en) undElektronenhülle ist durch das Entfernen eines Elektrons aufgehoben. Gebildet hat sich ein positiv ionisiertes Atom bzw. Molekül, das alsKation bezeichnet wird und gekennzeichnet ist durch ein nachfolgend hochgestelltes '+'-Zeichen; z. B. wird ein Natriumkation als Na+ gekennzeichnet (Na ist dasElementsymbol für Natrium). Die für die Ionisierung benötigte Energie nennt man dieErste Ionisierungsenergie.
Solange ein Kation noch Elektronen besitzt, kann es durch weitere Energiezufuhr erneut ionisiert werden. Die dafür erforderliche Energie nimmt aber mit jeder zusätzlichen Ionisierung zu. Allgemein ist die n-te Ionisierungsenergie die Energie, die benötigt wird, um das n-te Elektron zu entfernen. Ein mehrfach ionisiertes Kation wird durch eine vor das '+'-Zeichen gestellte Zahl gekennzeichnet; z. B. wird ein 3-fach ionisiertes Aluminiumkation als Al3+ dargestellt.
Für ein einzelnes Elektron wird die Ionisierungsenergie ineV angegeben, für die Stoffmenge 1 mol üblicherweise inkJ/mol. Der Umrechnungsfaktor ergibt sich aus der Umrechnung zwischen eV und J, also dem Zahlenwert derElementarladunge; dem Faktor 1000, da nicht J, sondern kJ verwendet wird; sowie derAvogadro-Konstante zur Umrechnung in Mol. Es ergibt sich also gerade ein Tausendstel des Zahlenwerts derFaraday-Konstanten, die seit derRevision des SI von 2019 in SI-Einheiten ausgedrückt eine exakte Konstante ist:
1 eV/Atom ≙96.4853321233100184 kJ/mol,
wobei auf der linken Seite das „pro Atom“ meist weggelassen wird.
Erste Ionisierungsenergie in Abhängigkeit von der Ordnungszahl
Die erste Ionisierungsenergie hängt von der Anziehungskraft zwischen dem Atomkern und dem zu entfernenden Elektron ab, welche sich nach derCoulomb-Formel berechnet:
Die Ionisierungsenergie oder Bindungsenergie ist die Summe aus potentieller Energie und kinetischer Energie des Elektrons. Da im stabilen Orbit laut demVirialsatz immer gilt:, ist die Ionisierungsenergie betragsmäßig immer gleich der kinetischen Energie oder der halben potentiellen Energie:. Somit ergibt sich die Ionisierungsenergie fürWasserstoff im niedrigsten Energieniveau, auchRydberg-Energie genannt:
In höheren angeregten Bahnen sinkt die Ionisierungsenergie und steigt mit höherer Protonenzahl im Kern, wie sich aus der Bindungskraft ergibt. Allgemein beträgt die Bindungsenergie daher nach demBohrschen Atommodell für ein einzelnes Elektron:
Innerhalb einerPeriode steigt die erste Ionisierungsenergie stark an, wenn auch die Zunahme von links nach rechts unstetig verläuft. Grund für die Zunahme ist die steigende Kernladungszahl und die dadurch bedingte stärkere Anziehung der Elektronen durch den Kern. Zwar nimmt auch die Elektronenzahl der Hülle innerhalb der Periode von links nach rechts in gleichem Maß zu, das jeweils hinzukommende Elektron wird jedoch immer in dieselbe Schale eingebaut, die Außenschale. Die dort schon vorhandenen Elektronen können das jeweils hinzukommende Elektron deshalb nicht so stark von der Kernladung abschirmen, weil sie denselben Kernabstand besitzen wie das hinzugekommene Elektron. Die Zunahme der Kernladung kann also nicht durch die Zunahme der Ladung der Elektronenhülle kompensiert werden, sodass die Ionisierungsenergie zunimmt.Der unstetige Charakter der Zunahme zeigt sich besonders stark beim Übergang vomStickstoff zumSauerstoff. Hier nimmt die Ionisierungsenergie von links nach rechts sogar ab. Die Gründe für solche Unstetigkeiten lassen sich mit demAtomorbitalmodell deuten. So besitzt Stickstoff mit seiner halb besetzten p-Unterschale eine energiearme, stabile Elektronenkonfiguration. Für die Entfernung eines Elektrons wird deshalb besonders viel Energie benötigt. Insgesamt stellen die Ionisierungsenergien derAlkalimetalle jeweils das Minimum und die Ionisierungsenergien derEdelgase jeweils das Maximum der Periode dar.Diese Extrema werden innerhalb einerGruppe von oben nach unten geringer, da sich das zu entfernende Elektron nach demSchalenmodell des Atoms auf einer neuen Schale befindet, somit sein Abstand vom Kern ansteigt und weniger Energie aufgewendet werden muss, um es aus der Anziehungskraft des Kerns zu lösen. Entsprechend nimmt die erste Ionisierungsenergie beim Übergang von einer Periode zur nächsten, z. B. vom Neon zum Natrium, schlagartig ab.
