Energía iónica: Concepto, Usos, Ventajas, Desventajas y Más

La energía iónica, es la correspondiente a la energía de enlace del átomo. Si queremos separar un electrón del átomo, pues tenemos que aportarle una energía adicional equivalente a la energía iónica, a este proceso se le llama ionización. Conoce mucho más a continuación.

¿Qué es la Energía iónica?

La energía iónica, es la cantidad de energía, necesaria para mantener unidas las partes de un átomo. Si se quiere separar una partícula negativa del átomo, es necesario administrarle una cantidad de energía, equivalente a la energía iónica de dicho átomo.

Cada electrón tiene asociada una cantidad de energía iónica o de ionización, esta va a depender del orbital en el que se encuentre. Un orbital es la región del espacio donde es más probable que se encuentre el electrón.

En los procesos de ionización se hace saltar siempre el electrón del orbital más externo, por ser el de menor energía iónica.

El método utilizado para medir la energía iónica de un elemento químico, es muy básico.  Generalmente se utiliza un tubo de descarga eléctrica, en el cual se hace colisionar un electrón de movimiento rápido, generado por una corriente eléctrica, con un átomo gaseoso del elemento a determinar.

Un átomo con un solo electrón en órbita, el hidrógeno, por ejemplo, necesita una energía iónica de 16,6 electronvoltios, para que sea objeto de un proceso de ionización, esto es lograr sacar al electrón del orbital más bajo o de menor energía.

Lo que mantiene cohesionado el núcleo y los electrones de un átomo, es la combinación de las interacciones de la carga eléctrica del núcleo, la configuración electrónica del átomo y su tamaño.  El conjunto de efectos de estos elementos, son los que definen la magnitud de la energía iónica en el átomo.

Los niveles de energía en los elementos químicos van a depender de su naturaleza, es por esto que la dificultad para ionizar, variará según qué lugar ocupe en la tabla periódica.  Por ejemplo, será más fácil ionizar un metal alcalino, que un gas noble.

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Mientras más electrones pierde un átomo, más energía hace falta para ionizarlo, esto quiere decir que se requiere una mayor energía iónica. El núcleo tiene cargas positivas y cargas neutras, la carga positiva no se altera con los procesos de ionización.  En vista de que el núcleo tiene que mantenerse cohesionado, cada vez que retiramos un electrón, este núcleo se une más firmemente para mantenerse en equilibrio.

Si se quiere definir en base a esta información la energía de ionización, sería aquella energía necesaria para separar el total de moléculas o átomos presentes en un mol.  El mol es la materia contenida de una sustancia particular, en la cantidad de moléculas o átomos correspondientes al Número de Avogadro.

En el hidrógeno, un mol de sus átomos tendrá una energía iónica de 1,312 KJ/mol, y un peso atómico de 1 gramo.

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Entonces la capacidad de un elemento para reaccionar químicamente, está relacionada con su energía iónica, esto es su capacidad para ceder electrones e ionizarse. También dependerá de la naturaleza de los elementos formados por estos procesos. Si quieres saber más sobre este tema, te invitamos a leer, principales fuentes de energía.

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Potencial de ionización

En física, cuando se habla de potencial, se refiere a capacidad para realizar algo. Partiendo de aquí, el potencial de ionización está determinado por el mínimo aporte energético que hace falta aplicar a la energía del átomo, para desprender un electrón.

Este proceso se realiza a una distancia fija, de tal forma que no se presenten interacciones electrostáticas entre el ión y el electrón (un ión es un átomo al que se le quitado un electrón).

Este potencial también corresponde con la cantidad de energía necesaria para que un átomo permanezca ionizado. Estos se miden en electronvoltios, en sistema internacional la unidad en Jules por mol.

Vamos a encontrar varios potenciales de ionización, dependiendo de cuál es el orbital del que se va a desprender el electrón.

¿Cuáles son los usos de la energía iónica?

Cada vez que el ser humano ha logrado manipular formas de energía, abre espacios para su uso en los diferentes ámbitos: la industria, la medicina, en fin, prácticamente todos los campos de la vida cotidiana requieren de formas de energía para desarrollarse.

La energía iónica, es de grandes dimensiones si se compara con otras formas de energía, esto la convierte en objeto de gran interés para los investigadores, diseñadores de procesos e industriales. Incluso, los desarrollos militares se han beneficiado de este tipo de manipulaciones del átomo.

A pesar de que el concepto es abstracto, debemos recordar que estamos tratando con dimensiones a nivel nuclear, es decir muy pequeñas, nuestras vidas están rodeadas de este tipo de interacciones, tanto desde el punto de vista químico como del físico.  Existen otras formas de energía alternativas, puedes leer sobre esto en biogas energía.

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Dicho esto, podemos referir a continuación algunos usos de la energía iónica, tales como:

Detección de amenazas

Los procesos químicos de cualquier índole, están relacionados con el paso de electrones de una molécula a otra con el fin de que se realice la reacción química.

El conocimiento de la energía iónica particular, que interacciona en procesos particulares, ha permitido el diseño de metodologías capaces de detectar desde explosivos hasta drogas.

Estas detecciones se realizan utilizando la ionización por electrospray. Luego de ionizar las partículas, se pasan por un espectrómetro de masa y según el ión que aparezca, pues se hace la determinación de si estamos en presencia de drogas o explosivos.

Tubos fluorescentes y televisores

Uno de los efectos más notorios de los procesos de ionización, es la producción de formas de energía electromagnéticas. Entre estas tenemos la luz visible, las microondas, los infrarrojos, entre los más notorios.

La luz visible particularmente, no es más que la emisión de electrones, producto del proceso de relajación de los átomos, que se logra adicionándole la cantidad de energía iónica correcta.

En los tubos fluorescentes se utiliza este principio: se rellena un tubo con una gas, con capacidad de emitir fotones (los fotones se emiten cada vez que se desprende un electrón de las moléculas del gas), lo energizamos y la emisión de múltiples fotones es la luz que vemos durante el proceso.

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De forma similar ocurre el proceso en los televisores, se fabrican con una sustancia susceptible a emitir algún tipo particular de fotón. Igualmente al aportarle un nivel de energía adecuado, se comenzarán a desprender los electrones y estos serán los fotones que nos permitan ver la imagen.

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Cada nivel de energía particular y afín a una sustancia dada, emitirá un fotón de diferente brillo, esto es lo que permite ver colores, formas, y contornos.

Control de rayos

Los rayos, son grandes descargas de energía eléctrica, que se dan en la atmósfera, producto de la electricidad estática acumulada en la misma.

El rayo no es más que una gran cantidad de radiación electromagnética, es por esto que vemos una luz cuando ocurre. Cualquier forma de luz está asociada con la emisión de fotones, que aparecen durante el proceso de ionización.

En el caso particular de los rayos, se ionizan las moléculas del aire. Midiendo esta energía, se puede predecir la densidad de los rayos que pueden caer en un lugar dado.

Con esta información se pueden diseñar y construir elemento que pueda atraer a estos rayos y de esta forma impedir que caigan en cualquier parte, ya que sus grandes niveles de energía suelen ser muy destructivos.

Esterilización

Existe una forma de ionizar que es por haces de electrones. Esta tiene una frecuencia de dosificación alta y un bajo poder inclusivo.

Para lograr este flujo de electrones se debe utilizar una gran cantidad de energía iónica, que se logra con aceleradores especialmente diseñados para esto. Cuando la pieza o producto que se quiere esterilizar pasa por esta corriente o haz de electrones, se ve sometida a un proceso de absorción de energía, la energía que traen estos electrones por la ionización.

Al absorber esta energía, se altera la configuración química de la pieza, la capacidad reproductiva y el ADN de los microorganismos presentes.

A pesar de producir una alteración en las piezas, es menos agresivo que otros métodos de esterilización.  En casi todos los otros métodos, la vida útil del elemento se ve reducida, mientras que con este método la alteración no representa un efecto mayor, debido a que los tiempos de exposición son pequeños.

Otra ventaja es que se pueden esterilizar grandes cantidades de elementos al mismo tiempo, representando así uno de los métodos más económicos desde el punto de vista industrial.

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Biotecnología

El estudio de la energía iónica, ha permitido refinar muchos procesos. El poder medir las energías involucradas en los procesos de emisión o absorción de electrones, permite determinar en presencia de qué sustancia estamos.

Existen procesos que permiten determinar, proteínas, péptidos y oligonucleótidos, que se basan en la emisión o absorción de energía iónica, en forma de luz visible.

Estos procesos son ampliamente utilizados tanto en la industria como en los servicios de salud.

Análisis farmacéutico

La energía iónica, al estar asociada con las radiaciones electromagnéticas, ofrecen muchas aplicaciones en el análisis farmacéutico.

La medición de la variación de estas energías en forma de espectro electromagnético, permite determinar la presencia de cualquier sustancia química en la sangre o la cantidad de medicamento metabolizado por una persona.

Así mismo se utiliza para determinar concentraciones de fármacos. De hecho, la industria farmacéutica es la que más utilidad le ha encontrado al uso de la energía iónica.

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Desarrollo aeroespacial

Uno de los usos más interesantes que se le ha dado a la energía iónica, es el uso en la propulsión de las naves. El motor iónico, utiliza un chorro de iones para propulsarse.

La aceleración de los iones se realiza aprovechando la relación potencia-masa, y de esta forma acelerarlos para llegar a velocidades muy altas.

Los propulsores iónicos alcanzan impulsos muy altos, necesitando mucha menos masa de combustible que los cohetes convencionales. La eficacia en el uso del combustible es mucho mejor que en otros diseños.

De igual forma las estaciones espaciales, aprovechan las energías iónicas, para mantener la mayoría de los sistemas en funcionamiento, genera menos desechos, es insonora y en general es fácil de usar.

Ventajas y desventajas de la energía iónica

Como todo proceso tecnológico en desarrollo, aún quedan por descubrir usos para la energía iónica.

Si se quiere darle un uso extensivo a este tipo de procesos, es necesario conocer las ventajas y las desventajas de su uso.  Como la mayoría de los procesos dejan efectos estocásticos, es decir estadísticos, aún esto es un tema en estudio.

Ventajas de la energía iónica

Una de las principales ventajas de la energía iónica es que desde el punto de vista económico, resulta más barata. Una vez realizada la inversión inicial para la instalación, los costos bajan drásticamente. Desde el punto de vista energético, los procesos realizados con ella requieren un menor gasto de energía.

Es totalmente insonora, por lo que no emite ningún tipo de contaminación acústica, por lo tanto es una forma de energía sustentable y ecológica. Es una energía limpia que se crea a partir de átomos y electrones, los cuales no dejan ningún tipo de residuo. Si quieres aprender más sobre energía limpia, te invitamos a leer tipos de paneles solares.

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En los últimos tiempos se han utilizado motores iónicos en las misiones espaciales, lo que disminuye su impacto en el ambiente, ya que la energía que utilizan la obtienen con paneles solares. Esto significa un ahorro en el gasto en combustibles, aún están en desarrollo, pero los motores iónicos representan un gran avance en este sentido.

Desventajas de la energía iónica

Para generar energía iónica, realmente no hace falta utilizar otra fuente de energía como parte del proceso. Esto hace que no exista una energía estable como respaldo de la generación, trayendo como consecuencia que no sea una fuente confiable de energía.  Por esta razón es que aún está muy lejos el uso masivo de esta forma de energía.

A pesar de que a largo plazo representa un ahorro, la instalación inicial para hacer uso de ella, es muy costosa.  Esto hace que en principio sea una energía muy difícil de generar, acarrea grandes costos de instalación.

Por otra parte, algunas de estas formas de energía podrían ser ionizantes, por lo que representa un punto de preocupación de los científicos, por las consecuencias que esto trae a la salud.