Como você calcula a energia de ionização de um átomo de hidrogênio em seu estado fundamental?
Responda:
"1313 kJ mol"^(-1)1313 kJ mol−1
Explicação:
!! RESPOSTA MUITO LONGA !!
Comece calculando o Comprimento de onda da linha de emissão que corresponde a um elétron que passa por um n=1 -> n = oon=1→n=∞ transição em um átomo de hidrogênio.
Essa transição faz parte do Série Lyman e ocorre no ultravioleta parte do espectro eletromagnético.
Sua ferramenta de escolha aqui será a Equação de Rydberg para o átomo de hidrogênio, que se parece com isso
1/(lamda_"e") = R * (1/n_1^2 - 1/n_2^2)1λe=R⋅(1n21−1n22)
Aqui
- lamda_"e"λe is the wavelength of the emitted photon (in a vacuum)
- RR is the Rydberg constant, equal to 1.097 * 10^(7)1.097⋅107 "m"^(-1)m−1
- n_1n1 represents the principal quantum number of the orbital that is lower in energy
- n_2n2 represents the principal quantum number of the orbital that is higher in energy
No seu caso, você tem
{(n_1 = 1), (n_2 = oo) :}
Agora, você sabe que, como o valor de n_2 aumenta, o valor de 1/n_2^2 diminui. Quando n=oo, você pode dizer isso
1/n_2^2 -> 0
Isso implica que a equação de Rydberg assumirá a forma
1/(lamda) = R * (1/n_1^2 - 0)
1/(lamda) = R * 1/n_1^2
que, no seu caso, você receberá
1/(lamda) = R * 1/1^2
1/(lamda) = R
Reorganizar para resolver o comprimento de onda
lamda = 1/R
Conecte o valor que você tem para R para obter
lamda = 1/(1.097 * 10^(7)color(white)(.)"m") = 9.116 * 10^(-8) "m"
Agora, para encontrar a energia que corresponde a essa transição, calcule o freqüência, nu, de um fóton que é emitido quando essa transição ocorre usando o fato de que o comprimento de onda e a frequência têm uma relação inversa descrito por esta equação
color(blue)(ul(color(black)(nu * lamda = c)))
Aqui
- 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)
Reorganize para resolver a frequência e insira seu valor para encontrar
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)
Finalmente, a energia deste fóton é diretamente proporcional à sua frequência, conforme descrito pelo Relação Planck - Einstein
color(blue)(ul(color(black)(E = h * nu)))
Aqui
- E is the energy of the photon
- h is Planck's constant, equal to 6.626 * 10^(-34)"J s"
Conecte seu valor para encontrar
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"
Isso significa que, para remover o elétron do estado fundamental de um átomo de hidrogênio no estado gasoso e criar um íon de hidrogênio, é necessário fornecer 2.181 * 10^(-18) "J" de energia.
Isso significa que para 1 átomo de hidrogênio no estado gasoso, você tem
"H"_ ((g)) + 2.181 * 10^(-18)color(white)(.)"J" -> "H"_ ((g))^(+) + "e"^(-)
Agora, a energia de ionização de hidrogênio representa a energia necessária para remover 1 toupeira de elétrons de 1 toupeira de átomos de hidrogênio no estado gasoso.
Para converter a energia em quilojoules por mole, use o fato de que 1 toupeira de fótons contém 6.022 * 10^(23) fótons como dado pela constante de Avogadro.
Você vai acabar com
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))))
Você pode dizer que, para 1 toupeira de átomos de hidrogênio no estado gasoso, você tem
"H"_ ((g)) + "1313 kJ" -> "H"_((g))^(+) + "e"^(-)
O valor citado para a energia de ionização do hidrogênio é realmente "1312 kJ mol"^(-1).
Meu palpite seria que a diferença entre os dois resultados foi causada pelo valor que usei para a constante de Avogadro e pelo arredondamento.
6.02 * 10^(23) -> "1312 kJ mol"^(-1)" vs "6.022 * 10^(23) -> "1313 kJ mol"^(-1)