Come si calcola l'energia di ionizzazione di un atomo di idrogeno nel suo stato fondamentale?

Risposta:

#"1313 kJ mol"^(-1)#

Spiegazione:

!! RISPOSTA MOLTO LUNGA !!

Inizia calcolando il lunghezza d'onda della linea di emissione che corrisponde a un elettrone che subisce a #n=1 -> n = oo# transizione in un atomo di idrogeno.

Questa transizione fa parte del Serie Lyman e si svolge nel ultravioletto parte dello spettro elettromagnetico.

http://www.physast.uga.edu/~rls/1010/ch5/ovhd.html

Il tuo strumento preferito qui sarà il Equazione di Rydberg per l'atomo di idrogeno, che assomiglia a questo

#1/(lamda_"e") = R * (1/n_1^2 - 1/n_2^2)#

Qui

  • #lamda_"e"# is the wavelength of the emitted photon (in a vacuum)
  • #R# is the Rydberg constant, equal to #1.097 * 10^(7)# #"m"^(-1)#
  • #n_1# represents the principal quantum number of the orbital that is lower in energy
  • #n_2# represents the principal quantum number of the orbital that is higher in energy

Nel tuo caso, hai

#{(n_1 = 1), (n_2 = oo) :}#

Ora, lo sai come valore di #n_2# aumenta, il valore di #1/n_2^2# diminuisce. Quando #n=oo#, Si può dire che

#1/n_2^2 -> 0#

Ciò implica che l'equazione di Rydberg prenderà la forma

#1/(lamda) = R * (1/n_1^2 - 0)#

#1/(lamda) = R * 1/n_1^2#

che, nel tuo caso, ti porterà

#1/(lamda) = R * 1/1^2#

#1/(lamda) = R#

Riorganizzare per risolvere per la lunghezza d'onda

#lamda = 1/R#

Inserisci il valore che hai per #R# ottenere

#lamda = 1/(1.097 * 10^(7)color(white)(.)"m") = 9.116 * 10^(-8)# #"m"#

Ora, al fine di trovare l'energia che corrisponde a questa transizione, calcolare il frequenza, #nu#, di un fotone che è emessa quando questa transizione avviene utilizzando il fatto che lunghezza d'onda e frequenza hanno un relazione inversa descritto da questa equazione

#color(blue)(ul(color(black)(nu * lamda = c)))#

Qui

  • #nu# is the frequency of the photon
  • #c# is the speed of light in a vacuum, usually given as #3 * 10^8# #"m s"^(-1)#

Riorganizza per risolvere la frequenza e collega il tuo valore per trovare

#nu * lamda = c implies nu = c/(lamda)#

#nu = (3 * 10^(8) color(red)(cancel(color(black)("m"))) "s"^(-1))/(9.116 * 10^(-8)color(red)(cancel(color(black)("m")))) = 3.291 * 10^(15)# #"s"^(-1)#

Infine, l'energia di questo fotone è direttamente proporzionale alla sua frequenza come descritto da Planck - Relazione di Einstein

#color(blue)(ul(color(black)(E = h * nu)))#

Qui

  • #E# is the energy of the photon
  • #h# is Planck's constant, equal to #6.626 * 10^(-34)"J s"#

Inserisci il tuo valore per trovare

#E = 6.626 * 10^(-34)color(white)(.)"J" color(red)(cancel(color(black)("s"))) * 3.291 * 10^(15) color(red)(cancel(color(black)("s"^(-1))))#

#E = 2.181 * 10^(-18)# #"J"#

Ciò significa che per rimuovere l'elettrone dallo stato fondamentale di un atomo di idrogeno nello stato gassoso e creare uno ione idrogeno, è necessario fornire #2.181 * 10^(-18)# #"J"# di energia.

Questo significa che per #1# atomo di idrogeno allo stato gassoso, hai

#"H"_ ((g)) + 2.181 * 10^(-18)color(white)(.)"J" -> "H"_ ((g))^(+) + "e"^(-)#

In questo momento, energia ionizzata di idrogeno rappresenta l'energia necessaria per rimuovere #1# Talpa di elettroni da #1# Talpa di atomi di idrogeno allo stato gassoso.

Per convertire l'energia in chilojoule per mole, usa il fatto che #1# Talpa di fotoni contiene #6.022 * 10^(23)# fotoni come indicato dalla costante di Avogadro.

Finirai con

#6.022 * 10^(23) color(red)(cancel(color(black)("photons")))/"1 mole photons" * (2.181 * 10^(-18)color(white)(.)color(red)(cancel(color(black)("J"))))/(1color(red)(cancel(color(black)("photon")))) * "1 kJ"/(10^3color(red)(cancel(color(black)("J"))))#

# = color(darkgreen)(ul(color(black)("1313 kJ mol"^(-1))))#

Puoi quindi dirlo per #1# Talpa di atomi di idrogeno allo stato gassoso, hai

#"H"_ ((g)) + "1313 kJ" -> "H"_((g))^(+) + "e"^(-)#

Il valore citato per l'energia di ionizzazione dell'idrogeno è in realtà #"1312 kJ mol"^(-1)#.

http://genchem1.chem.okstate.edu/BDA/BCE22.php

La mia ipotesi sarebbe che la differenza tra i due risultati fosse causata dal valore che ho usato per la costante di Avogadro e dall'arrotondamento.

#6.02 * 10^(23) -> "1312 kJ mol"^(-1)" vs "6.022 * 10^(23) -> "1313 kJ mol"^(-1)#

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