イオン化エネルギー

• 新しい周期への移行：アルカリ金属は容易に電子を1つ失ってオクテットまたは擬似希ガス配置になるため、これらの元素はイオン化エネルギーの値が小さい。
• sブロックからpブロックへ移動すると、p軌道は電子を失いやすくなります。例として、電子配置が1s²2s²2p¹であるベリリウムからホウ素への変化が挙げられます。2s電子は、^よりエネルギーの^{高い2p電子を原子核から遮蔽するため、2p電子がわずかに除去されやすくなります。これは}マグネシウムからアルミニウムへの変化でも起こります。^{[ 17 ]}
• 第一電子が他の電子と逆のスピンを持つp副殻を占める場合：窒素（₇ N : 14.5 eV）から酸素（₈ O : 13.6 eV）、リン（₁₅ P : 10.48 eV）から硫黄（₁₆ S : 10.36 eV）など。これは、酸素、硫黄、セレンは遮蔽効果によりイオン化エネルギーが低下傾向にあるためである。^{[ 18 ]}ただし、テルルからはこの傾向は途切れ、遮蔽効果が小さすぎて低下は生じない。    
• _{dブロックからpブロックへ移行する場合}：亜鉛（_30Zn：9.4eV）からガリウム（31Ga ： 6.0eV ）の場合など  
• 特殊なケース：鉛（₈₂ Pb：7.42 eV）からビスマス（₈₃ Bi ：7.29 eV）への減少。これはサイズに起因するものではない（差はごくわずか：鉛の共有結合半径は146 pmであるのに対し、ビスマスの共有結合半径は148 pmである^{[ 19 ]}）。これは6p殻のスピン軌道分裂によるものである（鉛は安定化した6p _{1/2レベルから電子を取り除いているが、ビスマスは不安定化した6p 3/2}レベルから電子を取り除いている）。予測されるイオン化エネルギーは、周期表で1つ下の行にあるフレロビウムからモスコビウムにかけてはるかに大きく減少し、スピン軌道効果もはるかに大きい。  
• 特殊なケースとして、ラジウム（₈₈ Ra：5.27 eV）からアクチニウム（₈₉ Ac ：5.17 eV）への減少が挙げられます。これはs軌道からad軌道への切り替えです。しかし、バリウム（₅₆ Ba：5.2 eV）からランタン（₅₇ La ：5.6 eV）への同様の切り替えでは、下方への変化は見られません。    
• ルテチウム（₇₁ Lu）とローレンシウム（₁₀₃ Lr）はどちらも、前の元素よりもイオン化エネルギーが低い。どちらの場合も、最後に追加された電子によって新しい副殻が始まる。Lu の場合は電子配置 [Xe] 4f ¹⁴ 5d ¹ 6s ²の 5d 、Lr の場合は配置 [Rn] 5f ⁴ 7s ² 7p ¹の 7p である。ルテチウム、特にローレンシウムのイオン化エネルギーのこれらの低下は、これらの元素がランタンやアクチニウムではなく、d ブロックに属していることを示している。^{[ 20 ]}  

• 第18族希ガス元素に到達する：これは、これらの元素の電子副殻が完全であるため^{[ 21 ]} 、これらの元素は1つの電子を取り除くのに大量のエネルギーを必要とするためです。
• 第12族：この族の元素、亜鉛（₃₀ Zn : 9.4 eV）、カドミウム（₄₈ Cd : 9.0 eV）、水銀（₈₀ Hg : 10.4 eV）は、それぞれ前の元素である銅（₂₉ Cu : 7.7 eV）、銀（₄₇ Ag : 7.6 eV）、金（₇₉ Au : 9.2 eV）とは対照的に、イオン化エネルギーの値が急激に上昇しています。水銀については、 6s電子の相対論的安定化がイオン化エネルギーを増加させることに加え、4f電子による遮蔽が不十分なため、最外殻価電子の実効核電荷が増加すると推測できます。さらに、[Ar] 3d ¹⁰ 4s ²、[Kr] 4d ¹⁰ 5s ²、[Xe] 4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6s ²の閉殻電子配置により安定性が向上します。      
• 特殊なケース:ロジウム( ₄₅ Rh : 7.5 eV )からパラジウム( ₄₆ Pd : 8.3 eV ) へのシフト。他の第 10 族元素とは異なり、パラジウムは電子配置のため、前の原子よりもイオン化エネルギーが高くなります。ニッケルの [Ar] 3d ⁸ 4s ²やプラチナの [Xe] 4f ¹⁴ 5d ⁹ 6s ¹とは対照的に、パラジウムの電子配置は [Kr] 4d ¹⁰ 5s ^{0です (}マデルング則では[Kr] 4d ⁸ 5s ²と予測されますが)。最後に、銀の低い IE ( ₄₇ Ag : 7.6 eV ) は、パラジウムの高い値をさらに強調します。追加された単一のs電子はパラジウムよりも低いイオン化エネルギーで除去されるため、^{[ 22 ]}パラジウムの高いIEが強調されます（上記のIEの線形表の値に示すように）。   
• ガドリニウムのイオン化エネルギー（₆₄ Gd : 6.15 eV）は、先行する元素（₆₂ Sm : 5.64 eV）、（₆₃ Eu : 5.67 eV）および後続の元素（₆₅ Tb : 5.86 eV）、（₆₆ Dy : 5.94 eV）よりもやや高い。この異常は、ガドリニウムの価電子d副殻が価電子f副殻から1個の電子を借りるという事実によるものである。価電子副殻はd副殻となり、f副殻の電子による正の核電荷の遮蔽が不十分なため、価電子d副殻の電子は原子核により強く引きつけられ、その結果、（最外殻の）価電子を取り除くのに必要なエネルギーが増加する。     
• dブロック元素に移ると、3d ¹電子配置を持つ元素Scは、sブロックおよびpブロック元素に移ると減少するのとは対照的に、前の元素（20 Ca：6.11 eV）よりも高いイオン化_{ポテンシャル}（21 _Sc： 6.56 eV）を持ちます。4s電子と3d電子は同様の遮蔽能力を持ちます。3d軌道はn=3殻の一部を形成し、その平均位置は4s軌道およびn=4殻よりも原子核に近いですが、s軌道の電子はd軌道の電子よりも原子核への侵入が大きくなります。そのため、3d電子と4s電子の相互遮蔽は弱く、イオン化された電子に作用する有効核電荷は比較的大きくなります。イットリウム（₃₉ Y ）も同様に、 ₃₈ Sr （5.69 eV ）よりも高いイオン化ポテンシャル（6.22 eV）を持ちます。    
• fブロック元素に移ると、元素（₅₇ La：5.18 eV）と（₈₉ Ac ：5.17 eV）は、先行する元素（ ₅₆ Ba：5.21 eV）と（₈₈ Ra ：5.18 eV）よりもイオン化ポテンシャルがわずかに低いだけですが、これらの原子はf電子ではなくd電子を追加するという点で異常です。イオン化エネルギーの上のグラフからわかるように、（₅₅ Cs ： 3.89 eV）から（₅₆ Ba ：5.21 eV）へのIE値の急激な上昇に続いて、fブロックが₅₆ Baから₇₀ Ybに進むにつれて（多少の変動はあるものの）わずかな増加が見られます。これは（ランタニドの場合）ランタニド収縮によるものです。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}このイオン半径の減少は、イオン化エネルギーの増加と関連しており、この2つの特性は互いに相関しているため、イオン化エネルギーも増加します。^{[ 9 ]} dブロック元素の場合、電子は内殻に追加されるため、新しい殻は形成されません。追加された軌道の形状により、電子が原子核に侵入することが妨げられるため、それらの軌道を占める電子の遮蔽能力は低下します。        

イオン化エネルギーの値は、グループ内でより重い元素に進むにつれて減少する傾向があります^{[ 12 ]。}これは、遮蔽がより多くの電子によって提供され、全体として、価電子殻は原子核からのより弱い引力を受け、これはグループを下るにつれて増加するより大きな共有結合半径に起因するためです^{[ 26 ]。}しかし、これは常に当てはまるわけではありません。例外の1つとして、10族のパラジウム（₄₆ Pd ：8.34 eV）はニッケル（ ₂₈ Ni ：7.64 eV）よりもイオン化エネルギーが高く、テクネチウム₄₃ Tcからキセノン₅₄ Xeまでの元素の一般的な減少とは逆です。このような異常は以下にまとめられています。    

• グループ1：
  • 水素のイオン化エネルギーはアルカリ金属に比べて非常に高い（13.59844 eV）。これは、水素の電子が1つしかない（したがって電子雲が非常に小さい）ためで、その電子は原子核の近くにある。同様に、遮蔽を引き起こす可能性のある他の電子がないため、その1つの電子は原子核の正味の正電荷をすべて受ける。^{[ 27 ]}
  • フランシウムのイオン化エネルギーは、先行するアルカリ金属であるセシウムよりも高い。これは、相対論的効果によるフランシウム（およびラジウム）のイオン半径が小さいためである。質量とサイズが大きいため、電子は非常に高速で移動し、予想よりも原子核に近づくため、結果として電子を取り除くのが難しくなる（イオン化エネルギーが高くなる）。^{[ 28 ]}
• 第2族：ラジウムのイオン化エネルギーは、フランシウムと同様に、その前身であるアルカリ土類金属バリウムよりも高い。これも相対論的効果によるものである。電子、特に1s​​電子は、非常に高い実効核電荷を受ける。原子核に落ち込まないように、1s電子は非常に高速で運動する必要があり、その結果、特殊相対論的補正が近似的な古典的運動量よりも大幅に高くなる。不確定性原理により、これは1s軌道（および原子核に近い電子密度を持つ他の軌道、特にns軌道とnp軌道）の相対論的収縮を引き起こす。したがって、これは電子の変化の連鎖を引き起こし、最終的に最外殻電子が収縮して原子核に近づく結果となる。
• グループ4：
  • ハフニウムのイオン化エネルギーはジルコニウムと非常に似ている。ランタニド収縮の影響はランタニドの後でも感じられる。^{[ 24 ]}これは、前者の原子半径が159 pm [29] (経験値) と、^後者の155 pm [ 30 ^{] [ 31 ]と異なる}ことからわかる。このため、イオン化エネルギーは18 kJ/mol ⁻¹増加する。
  • チタンのイオン化エネルギーは、ハフニウムとジルコニウムの両方よりも小さい。ハフニウムのイオン化エネルギーは、ランタニド収縮のためジルコニウムのイオン化エネルギーと似ている。しかし、ジルコニウムのイオン化エネルギーが前の元素よりも高い理由は不明である。ジルコニウムとハフニウムの原子半径は15 pm大きいので、原子半径に起因するものではない。^{[ 32 ]}また、凝縮イオン化エネルギーもほぼ同じなので、それを持ち出すことはできない（チタンの場合は[Ar] 3d ² 4s ²、ジルコニウムの場合は[Kr] 4d ² 5s ²）。さらに、比較できる半充填軌道や完全充填軌道はない。したがって、ジルコニウムの完全な電子配置、すなわち 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 4d ² 5s ²のみを引用することができる。^{[ 33 ]}完全な 3d ブロック副レベルの存在は、4d ブロック元素 (電子が 2 つしかない) と比較して、より高い遮蔽効率に相当する。^{[ a ]}
• グループ 5: グループ 4 と同様に、ニオブとタンタルは、電子配置と後者の元素に影響を与えるランタニド収縮により互いに類似しています。^{[ 34 ]}事実上、グループで最上位の元素であるバナジウムと比較して、IE が大幅に上昇するのは、電子配置に加えて、d ブロックの電子が完全に満たされていることに起因すると考えられます。もう 1 つの興味深い概念は、ニオブの 5s 軌道が半分満たされていることです。反発と交換エネルギー (言い換えれば、電子を高エネルギーのサブレベルに置く代わりに、低エネルギーのサブレベルに電子を置いて完全に満たす「コスト」 ) により、s ブロックと d (または f) ブロックの電子間のエネルギーギャップが克服されるため、EC はマデルングの規則に従いません。
• 第 6 族: 先行する第 4 族および第 5 族と同様に、第 6 族も下に移動すると高い値を示します。タングステンは、電子配置により再びモリブデンと類似しています。 ^{[ 35 ]}同様に、電子配置の 3d 軌道が完全に満たされていることも理由です。もう 1 つの理由は、電子対エネルギーがアウフバウ原理に違反するため、モリブデンの 4d 軌道が半分満たされていることです。
• 第7～12族第6周期元素（レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ、金、水銀）：これらの元素はすべて、それぞれの族の先行元素と比較して極めて高いイオン化エネルギーを持っています。これは、ランタニド収縮がランタニド後続元素に及ぼす影響に加え、6s軌道の相対論的安定化によるものです。
• グループ13：
  • ガリウムのイオン化エネルギーはアルミニウムよりも高い。これは、スカンジウム収縮に加えてd軌道の存在によるものであり、弱い遮蔽効果をもたらすため、実効核電荷が増加する。
  • タリウムのイオン化エネルギーは、ランタニド収縮に加えて4f電子の遮蔽が不十分なため^{[ 5 ]}、その前駆体であるインジウムと比較して増加します。
• 第14族：鉛の異常に高いイオン化エネルギー（_82Pb：7.42 eV）は、第13族のタリウムと同様に、5dおよび4f副殻が満たされていることによるものです。ランタニド収縮と4f電子による原子核の遮蔽が不十分なため、鉛のイオン化エネルギーはスズ（_50Sn ：7.34 eV）よりもわずかに高くなります。^{[ 36 ] [ 5 ]}