Сродство к электрону

Сродство к электрону ( E _ea ) атома или молекулы определяется как количество энергии, выделяющейся при присоединении электрона к нейтральному атому или молекуле в газообразном состоянии с образованием аниона.

X(г) + е ⁻ → X ⁻ (г) + энергия

Это отличается по знаку от изменения энергии при ионизации электронного захвата . ^[1] Сродство к электрону положительно, когда при захвате электрона выделяется энергия.

В физике твердого тела сродство электрона к поверхности определяется несколько иначе (см. ниже).

Это свойство используется для измерения атомов и молекул только в газообразном состоянии, поскольку в твердом или жидком состоянии их энергетические уровни изменяются при контакте с другими атомами или молекулами.

Список сродств к электрону был использован Робертом С. Малликеном для разработки шкалы электроотрицательности для атомов, равной среднему значению сродства к электрону и потенциала ионизации . ^{[2] [3]} Другие теоретические концепции, которые используют сродство к электрону, включают электронный химический потенциал и химическую жесткость . Другой пример, молекула или атом, которые имеют более положительное значение сродства к электрону, чем другие, часто называются акцептором электронов , а менее положительное — донором электронов . Вместе они могут подвергаться реакциям переноса заряда .

Чтобы правильно использовать сродство к электрону, важно отслеживать знак. Для любой реакции, которая высвобождает энергию, изменение Δ E в полной энергии имеет отрицательное значение, и реакция называется экзотермическим процессом . Захват электронов для почти всех атомов неблагородных газов включает в себя высвобождение энергии ^[4] и, таким образом, является экзотермическим. Положительные значения, которые перечислены в таблицах E _{ea ,} являются количествами или величинами. Именно слово «высвобождается» в определении «высвобождаемая энергия» придает отрицательный знак Δ E . Путаница возникает, когда E _ea ошибочно принимают за изменение энергии, Δ E , и в этом случае положительные значения, перечисленные в таблицах, будут относиться к эндо-, а не экзотермическому процессу. Связь между ними следующая: E _ea = −Δ E (прикрепить).

Однако если значение, присвоенное E _ea , отрицательно, отрицательный знак подразумевает изменение направления, и для присоединения электрона требуется энергия. В этом случае захват электрона является эндотермическим процессом, и соотношение E _ea = −Δ E (присоединение) по-прежнему справедливо. Отрицательные значения обычно возникают при захвате второго электрона, но также и для атома азота.

Обычное выражение для расчета E _ea при присоединении электрона имеет вид

E _ea = ( E _{начальный} − E _{конечный} ) _{прикрепить} = −Δ E (прикрепить)

Это выражение следует соглашению Δ X = X (конечное) − X (начальное), поскольку −Δ E = −( E (конечное) − E (начальное)) = E (начальное) − E (конечное).

Эквивалентно, сродство к электрону можно также определить как количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, пока он удерживает один избыточный электрон, таким образом превращая атом в отрицательный ион , ^[1] т.е. изменение энергии для процесса

Х ⁻ → Х + е ⁻

Если для прямых и обратных реакций используется одна и та же таблица, без переключения знаков , необходимо соблюдать осторожность, чтобы применить правильное определение к соответствующему направлению, присоединению (освобождению) или отсоединению (требуется). Поскольку почти все отсоединения (требуется +) количество энергии, указанное в таблице, эти реакции отсоединения являются эндотермическими, или Δ E (отсоединяется) > 0.

E _{ea знак} равно ( E _{окончательный} − E _{начальный} ) _{отсоединить} = Δ E (отсоединить) = -Δ E (прикрепить) .

Хотя E _ea сильно варьируется в зависимости от периодической таблицы, некоторые закономерности прослеживаются. Как правило, неметаллы имеют более положительный E _{ea ,} чем металлы . Атомы, анионы которых более стабильны, чем нейтральные атомы, имеют больший E _ea . Хлор сильнее всего притягивает дополнительные электроны; неон слабее всего притягивает дополнительный электрон. Электронное сродство благородных газов окончательно не измерено, поэтому они могут иметь или не иметь слегка отрицательные значения.

E _ea обычно увеличивается по периоду (строке) в периодической таблице до достижения группы 18. Это вызвано заполнением валентной оболочки атома; атом группы 17 выделяет больше энергии, чем атом группы 1, при получении электрона, поскольку он получает заполненную валентную оболочку и, следовательно, более стабилен. В группе 18 валентная оболочка заполнена, что означает, что добавленные электроны нестабильны и имеют тенденцию очень быстро выбрасываться.

Вопреки интуиции, E _ea не уменьшается при движении вниз по большинству столбцов периодической таблицы. Например, E _ea фактически последовательно увеличивается при движении вниз по столбцу для данных группы 2. Таким образом , электронное сродство следует той же тенденции «влево-вправо», что и электроотрицательность, но не тенденции «вверх-вниз».

Следующие данные приведены в кДж/моль .

Сродство к электронам в периодической таблице

Группа  →	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
↓  Период
1	ЧАС73																		Он(−50)
2	Ли60	Быть(−50)												Б27	С122	Н−7	О141	Ф328	Не(−120)
3	На53	Мг(−40)												Эл42	Си134	П72	С200	Кл349	Ар(−96)
4	К48	Ca2		Сц18	Ти7	В51	Кр65	Мн(−50)	Фе15	Ко64	Ни112	Cu119	Zn(−60)	Га29	Ге119	Как78	Сэ195	Бр325	Кр(−96)
5	Руб.47	Ср5		И30	Зр42	Кол-во89	Мо72	Тс(53)	Ру(101)	резус-фактор110	Пд54	Аг126	Кд(−70)	В37	Сн107	Сб101	Те190	я295	Хе(−80)
6	Сс46	Ба14		Лу23	ВЧ17	Та31	Вт79	Повторно6	Ос104	Ир151	Пт205	Ау223	рт.ст.(−50)	Тл31	свинец34	Би91	По(136)	В233	Рн(−70)
7	Пт(47)	Ра(10)		Лр(−30)	Рф	Дб	Сг	Бх	Хс	Мт	Дс	Рг(151)	Cn(<0)	Нч(67)	Фл(<0)	Мак(35)	Ур(75)	Тс(166)	Ог(8)
				Ла54	Се55	Пр11	нд9	ПМ(12)	См(16)	Евросоюз11	Б-г(13)	Тб13	Дай1	Хо(33)	Э-э(30)	Тм99	Ыб(−2)
				Ас(34)	Чт(113)	Па(53)	У(51)	Нп(46)	Пу(−48)	Являюсь(10)	См(27)	Бк(−165)	Ср.(−97)	Эс(−29)	Фм(34)	Мд(94)	Нет(−223)
Легенда
Значения указаны в кДж/моль , округлены.
Эквивалент в эВ см.: Сродство к электрону (страница данных)
Круглые скобки () обозначают прогнозы.
Изначальный  От распада  Синтетический Граница показывает естественное происхождение элемента. s-блок f-блок d-блок p-блок

Электронное сродство молекул является сложной функцией их электронной структуры. Например, электронное сродство для бензола отрицательно, как и для нафталина , в то время как для антрацена , фенантрена и пирена они положительны. Эксперименты in silico показывают, что электронное сродство гексацианобензола превосходит электронное сродство фуллерена . ^[5]

В области физики твердого тела сродство к электрону определяется иначе, чем в химии и атомной физике. Для интерфейса полупроводник-вакуум (то есть поверхности полупроводника) сродство к электрону, обычно обозначаемое как E _EA или χ , определяется как энергия, полученная при перемещении электрона из вакуума сразу за полупроводником на дно зоны проводимости сразу внутри полупроводника: ^[6]

${\displaystyle E_{\rm {ea}}\equiv E_{\rm {vac}}-E_{\rm {C}}}$

В собственном полупроводнике при абсолютном нуле эта концепция функционально аналогична химическому определению электронного сродства, поскольку добавленный электрон спонтанно перейдет на дно зоны проводимости. При ненулевой температуре и для других материалов (металлов, полуметаллов, сильно легированных полупроводников) аналогия не выполняется, поскольку добавленный электрон вместо этого перейдет на уровень Ферми в среднем. В любом случае значение электронного сродства твердого вещества сильно отличается от значения электронного сродства в химии и атомной физике для атома того же вещества в газовой фазе. Например, поверхность кристалла кремния имеет электронное сродство 4,05 эВ, тогда как изолированный атом кремния имеет электронное сродство 1,39 эВ.

Сродство к электрону поверхности тесно связано с ее функцией выхода , но отличается от нее . Функция выхода — это термодинамическая работа , которая может быть получена путем обратимого и изотермического удаления электрона из материала в вакуум; этот термодинамический электрон в среднем переходит на уровень Ферми , а не на край зоны проводимости: . В то время как функция выхода полупроводника может быть изменена путем легирования , сродство к электрону в идеале не меняется при легировании и, таким образом, оно ближе к тому, чтобы быть константой материала. Однако, как и функция выхода, сродство к электрону зависит от окончания поверхности (грань кристалла, химия поверхности и т. д.) и является строго поверхностным свойством.${\displaystyle W=E_{\rm {vac}}-E_{\rm {F}}}$

В физике полупроводников основное применение электронного сродства на самом деле заключается не в анализе поверхностей полупроводник–вакуум, а скорее в эвристических правилах электронного сродства для оценки изгиба зон , который происходит на границе двух материалов, в частности, в переходах металл–полупроводник и полупроводниковых гетеропереходах .

При определенных обстоятельствах электронное сродство может стать отрицательным. ^[7] Часто отрицательное электронное сродство желательно для получения эффективных катодов , которые могут поставлять электроны в вакуум с небольшими потерями энергии. Наблюдаемый выход электронов как функция различных параметров, таких как напряжение смещения или условия освещения, может быть использован для описания этих структур с помощью зонных диаграмм , в которых электронное сродство является одним из параметров. Для иллюстрации кажущегося эффекта поверхностного окончания на электронную эмиссию см. Рисунок 3 в Эффекте Марчивки .

• Масс-спектрометрия с захватом электронов
• Электроотрицательность
• Донор электронов
• Энергия ионизации — тесно связанное понятие, описывающее энергию, необходимую для удаления электрона из нейтрального атома или молекулы.
• Одноэлектронное восстановление
• Валентный электрон
• Уровень вакуума

• Тро, Нивальдо Дж. (2008). Химия: молекулярный подход (2-е изд.). Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall . ISBN 0-13-100065-9 . С. 348–349. 

• Сродство к электрону, определение из Золотой книги ИЮПАК