イオン化エネルギー

イオン化エネルギー（イオンかエネルギー、英語: ionization energy、電離エネルギー、イオン化ポテンシャルとも言う）とは、原子、イオンなどから電子を取り去ってイオン化するために必要な最小のエネルギー^[1]。ある原子がその電子をどれだけ強く結び付けているのかの目安である。

元素順の第一イオン化エネルギー。アルカリ金属で最も小さく、貴ガスで最も大きくなる周期的な変化が見られる。

気体状態の単原子（または分子の基底状態）の中性原子から取り去る電子が1個目の場合を第1イオン化エネルギー（IE¹）、2個目の電子を取り去る場合を第2イオン化エネルギー（IE²）、3個目の電子を取り去る場合を第3イオン化エネルギー（IE³）・・・（以下続く）と言う^[2]。単にイオン化エネルギーといった場合、第1イオン化エネルギーのことを指すことがある。

${\displaystyle {\rm {M(g)\rightarrow M^{+}(g)+e^{-}}}}$ 　IE¹

${\displaystyle {\rm {M^{+}(g)\rightarrow M^{2+}(g)+e^{-}}}}$ 　IE²

${\displaystyle {\rm {M^{2+}(g)\rightarrow M^{3+}(g)+e^{-}}}}$ 　IE³

イオン化エネルギーの一般的な傾向は、s軌道とp軌道の相対的エネルギーとともに、電子の結合に対する有効核電荷の効果を考えることによって説明できる。

原子核の正電荷が増すにつれ、与えられた軌道にある負に荷電した電子はより強いクーロン引力を受け、より強く保持される。ヘリウムの1s電子を除去するには水素の1s電子を除去するよりも多くのエネルギーを必要とする。

${\displaystyle {\rm {H(g)\rightarrow H^{+}(g)+e^{-}}}}$ 　${\displaystyle IE^{1}=1312\;{\rm {kJ\;mol^{-1}}}}$

${\displaystyle {\rm {He(g)\rightarrow He^{+}(g)+e^{-}}}}$　　${\displaystyle IE^{1}=2372\;{\rm {kJ\;mol^{-1}}}}$

周期表の同じ周期の中で最高のイオン化エネルギーは貴ガスのものである。これは貴ガス元素が周期表の右端にあり、同周期中で最も最外殻電子に対する有効核電荷が大きいことに由来する。

主量子数ｎの値が小さい内殻電子のイオン化エネルギーは価電子に比べ格段に大きい^[3]。たとえば電子3個のリチウムではIE¹は5.32eV であるが、1sからのIE²は75.6eVである^[3]。2s軌道の電子は1s軌道の電子ほど強く保持されていない。

最低のイオン化エネルギーは周期表の左端にある第1族元素のものである。これらの原子のひとつから電子1個を除くと貴ガス原子と同じ閉殻電子配置を持つイオンになる。

どの原子からも最も容易に失われる電子は最高エネルギー軌道にある電子からである。

一覧

イオン化エネルギーの一覧 kJ/mol

原子番号	元素記号	元素名	第1	第2	第3	第4	第5	第6	第7	第8	第9	第10
1	H	水素	1312.0
2	He	ヘリウム	2372.3	5250.5
3	Li	リチウム	520.2	7298.1	11815.0
4	Be	ベリリウム	899.5	1757.1	14848.7	21006.6
5	B	ホウ素	800.6	2427.1	3659.7	25025.8	32826.7
6	C	炭素	1086.5	2352.6	4620.5	6222.7	37831	47277.0
7	N	窒素	1402.3	2856	4578.1	7475.0	9444.9	53266.6	64360
8	O	酸素	1313.9	3388.3	5300.5	7469.2	10989.5	13326.5	71330	84078.0
9	F	フッ素	1681.0	3374.2	6050.4	8407.7	11022.7	15164.1	17868	92038.1	106434.3
10	Ne	ネオン	2080.7	3952.3	6122	9371	12177	15238	19999.0	23069.5	115379.5	131432
11	Na	ナトリウム	495.8	4562	6910.3	9543	13354	16613	20117	25496	28932	141362
12	Mg	マグネシウム	737.7	1450.7	7732.7	10542.5	13630	18020	21711	25661	31653	35458
13	Al	アルミニウム	577.5	1816.7	2744.8	11577	14842	18379	23326	27465	31853	38473
14	Si	ケイ素	786.5	1577.1	3231.6	4355.5	16091	19805	23780	29287	33878	38726
15	P	リン	1011.8	1907	2914.1	4963.6	6273.9	21267	25431	29872	35905	40950
16	S	硫黄	999.6	2252	3357	4556	7004.3	8495.8	27107	31719	36621	43177
17	Cl	塩素	1251.2	2298	3822	5158.6	6542	9362	11018	33604	38600	43961
18	Ar	アルゴン	1520.6	2665.8	3931	5771	7238	8781	11995	13842	40760	46186
19	K	カリウム	418.8	3052	4420	5877	7975	9590	11343	14944	16963.7	48610
20	Ca	カルシウム	589.8	1145.4	4912.4	6491	8153	10496	12270	14206	18191	20385
21	Sc	スカンジウム	633.1	1235.0	2388.6	7090.6	8843	10679	13310	15250	17370	21726
22	Ti	チタン	658.8	1309.8	2652.5	4174.6	9581	11533	13590	16440	18530	20833
23	V	バナジウム	650.9	1414	2830	4507	6298.7	12363	14530	16730	19860	22240
24	Cr	クロム	652.9	1590.6	2987	4743	6702	8744.9	15455	17820	20190	23580
25	Mn	マンガン	717.3	1509.0	3248	4940	6990	9220	11500	18770	21400	23960
26	Fe	鉄	762.5	1561.9	2957	5290	7240	9560	12060	14580	22540	25290
27	Co	コバルト	760.4	1648	3232	4950	7670	9840	12440	15230	17959	26570
28	Ni	ニッケル	737.1	1753.0	3395	5300	7339	10400	12800	15600	18600	21670
29	Cu	銅	745.5	1957.9	3555	5536	7700	9900	13400	16000	19200	22400
30	Zn	亜鉛	906.4	1733.3	3833	5731	7970	10400	12900	16800	19600	23000
31	Ga	ガリウム	578.8	1979.3	2963	6180
32	Ge	ゲルマニウム	762	1537.5	3302.1	4411	9020
33	As	ヒ素	947.0	1798	2735	4837	6043	12310
34	Se	セレン	941.0	2045	2973.7	4144	6590	7880	14990
35	Br	臭素	1139.9	2103	3470	4560	5760	8550	9940	18600
36	Kr	クリプトン	1350.8	2350.4	3565	5070	6240	7570	10710	12138	22274	25880
37	Rb	ルビジウム	403.0	2633	3860	5080	6850	8140	9570	13120	14500	26740
38	Sr	ストロンチウム	549.5	1064.2	4138	5500	6910	8760	10230	11800	15600	17100
39	Y	イットリウム	600	1180	1980	5847	7430	8970	11190	12450	14110	18400
40	Zr	ジルコニウム	640.1	1270	2218	3313	7752	9500
41	Nb	ニオブ	652.1	1380	2416	3700	4877	9847	12100
42	Mo	モリブデン	684.3	1560	2618	4480	5257	6640.8	12125	13860	15835	17980
43	Tc	テクネチウム	702	1470	2850
44	Ru	ルテニウム	710.2	1620	2747
45	Rh	ロジウム	719.7	1740	2997
46	Pd	パラジウム	804.4	1870	3177
47	Ag	銀	731.0	2070	3361
48	Cd	カドミウム	867.8	1631.4	3616
49	In	インジウム	558.3	1820.7	2704	5210
50	Sn	スズ	708.6	1411.8	2943.0	3930.3	7456
51	Sb	アンチモン	834	1594.9	2440	4260	5400	10400
52	Te	テルル	869.3	1790	2698	3610	5668	6820	13200
53	I	ヨウ素	1008.4	1845.9	3180
54	Xe	キセノン	1170.4	2046.4	3099.4
55	Cs	セシウム	375.7	2234.3	3400
56	Ba	バリウム	502.9	965.2	3600
57	La	ランタン	538.1	1067	1850.3	4819	5940
58	Ce	セリウム	534.4	1050	1949	3547	6325	7490
59	Pr	プラセオジム	527	1020	2086	3761	5551
60	Nd	ネオジム	533.1	1040	2130	3900
61	Pm	プロメチウム	540	1050	2150	3970
62	Sm	サマリウム	544.5	1070	2260	3990
63	Eu	ユウロピウム	547.1	1085	2404	4120
64	Gd	ガドリニウム	593.4	1170	1990	4250
65	Tb	テルビウム	565.8	1110	2114	3839
66	Dy	ジスプロシウム	573.0	1130	2200	3990
67	Ho	ホルミウム	581.0	1140	2204	4100
68	Er	エルビウム	589.3	1150	2194	4120
69	Tm	ツリウム	596.7	1160	2285	4120
70	Yb	イッテルビウム	603.4	1174.8	2417	4203
71	Lu	ルテチウム	523.5	1340	2022.3	4370	6445
72	Hf	ハフニウム	658.5	1440	2250	3216
73	Ta	タンタル	761	1500
74	W	タングステン	770	1700
75	Re	レニウム	760	1260	2510	3640
76	Os	オスミウム	840	1600
77	Ir	イリジウム	880	1600
78	Pt	白金	870	1791
79	Au	金	890.1	1980
80	Hg	水銀	1007.1	1810	3300
81	Tl	タリウム	589.4	1971	2878
82	Pb	鉛	715.6	1450.5	3081.5	4083	6640
83	Bi	ビスマス	703	1610	2466	4370	5400	8520
84	Po	ポロニウム	812.1
85	At	アスタチン	890±40
86	Rn	ラドン	1037
87	Fr	フランシウム	380
88	Ra	ラジウム	509.3	979.0
89	Ac	アクチニウム	499	1170
90	Th	トリウム	587	1110	1930	2780
91	Pa	プロトアクチニウム	568
92	U	ウラン	597.6	1420
93	Np	ネプツニウム	604.5
94	Pu	プルトニウム	584.7
95	Am	アメリシウム	578
96	Cm	キュリウム	581
97	Bk	バークリウム	601
98	Cf	カリホルニウム	608
99	Es	アインスタイニウム	619
100	Fm	フェルミウム	627
101	Md	メンデレビウム	635
102	No	ノーベリウム	642
103	Lr	ローレンシウム	470
104	Rf	ラザホージウム	580

イオン化エネルギーについての補足

アルカリ金属などでIEが低く、貴ガスに近づくにつれ値が高まる傾向があることは前述のとおりだが、ベリリウムとホウ素、窒素と酸素などではその傾向が少しだけ逆転している^[4]。この理由については原子軌道やフントの規則を考慮する必要がある。

窒素原子と酸素原子を例に考える。二つの電子配置は次の表のようになる。（IEの単位はeV）

N: 1s² 2s² 2p³ 　IE¹：14.53, IE ²：29.60

O: 1s² 2s² 2p⁴ 　IE¹：13.61, IE ²：35.12

	1s	2s	2px	2py	2pz
N	↑↓	↑↓	↑	↑	↑
O	↑↓	↑↓	↑↓	↑	↑

窒素原子より酸素原子のほうが第一イオン化エネルギーが小さいのは、2p軌道に入る4個目の電子が三重に縮重したp軌道のいずれかの軌道に異なるスピン角運動量をもって入り、電子間の静電的な反発エネルギーが電子を不安定にするためである。

ちなみに、第2イオン化エネルギーの場合は、どちらも区別のつかない2p軌道からひとつずつ取り去るので、有効核電荷が大きい酸素原子のほうがIE²は大きくなる。このことは他の周期でもみられる。

また電気陰性度（マリケンの電気陰性度）は、電子親和力とイオン化エネルギーの算術平均であるが、前者に比べ後者のほうがかなり大きいため、電気陰性度はほぼイオン化エネルギーに比例する。