8.5: Afinidad Electrónica

La afinidad electrónica (AE) es el cambio de energía para agregar un electrón a un átomo gaseoso para formar un anión (ión negativo).

Este proceso puede ser endotérmico o exotérmico, dependiendo del elemento. Muchos de estos elementos tienen valores negativos de AE, lo que significa que la energía es liberada cuando el átomo gaseoso acepta un electrón. Sin embargo, para algunos elementos, se requiere energía para que el átomo se cargue negativamente y el valor de su AE es positivo. Al igual que con la energía de ionización, los siguientes valores de AE se asocian con la formación de iones con mayor carga. La segunda AE es la energía asociada con la adición de un electrón a un anión para formar un ion 2–, y así sucesivamente.

Como uno podría predecir, se hace más fácil agregar un electrón a través de una serie de átomos a medida que aumenta la carga nuclear efectiva de los átomos. A medida que avanzamos de izquierda a derecha a lo largo de un período, las AE tienden a ser más negativas. Las excepciones encontradas entre los elementos del grupo 2 (2A), grupo 15 (5A) y grupo 18 (8A) pueden entenderse basándose en la estructura electrónica de estos grupos. Los gases nobles, grupo 18 (8A), tienen una capa completamente llena, y el electrón entrante debe añadirse a un nivel n más alto, lo que es más difícil de hacer. El grupo 2 (2A) tiene una subcapa ns llena, y por lo tanto el siguiente electrón agregado entra en el np de mayor energía, así que, de nuevo, el valor de AE observado no es como podría predecir la tendencia. Finalmente, el grupo 15 (5A) tiene una subcapa np medio llena, y el siguiente electrón debe aparearse con un electrón np existente. En todos estos casos, la estabilidad relativa inicial de la configuración electrónica interrumpe la tendencia en la AE.

Uno podría esperar que el átomo en la parte superior de cada grupo tenga la AE más negativa; sus primeros potenciales de ionización sugieren que estos átomos tienen las mayores cargas nucleares efectivas. Sin embargo, a medida que avanzamos hacia abajo en un grupo, vemos que el segundo elemento en el grupo a menudo tiene la AE más negativa. Esto se puede atribuir al pequeño tamaño de la capa n = 2 y a las grandes repulsiones electrón-electrón resultantes. Por ejemplo, el cloro, con un valor de AE de –348 kJ/mol, tiene el valor más alto de cualquier elemento de la tabla periódica. La AE del flúor es de –322 kJ/mol. Cuando añadimos un electrón a un átomo de flúor para formar un anión de fluoruro (F–), añadimos un electrón a la capa n = 2. El electrón es atraído al núcleo, pero también hay una repulsión significativa de los otros electrones ya presentes en esta pequeña capa de valencia. El átomo de cloro tiene la misma configuración electrónica en la capa de valencia, pero debido a que el electrón entrante entra en la capa n = 3, ocupa una región de espacio considerablemente mayor y las repulsiones electrón-electrón se reducen. El electrón que entra no experimenta tanta repulsión, y el átomo de cloro acepta un electrón adicional más fácilmente, resultando en una AE más negativa.

Este texto es adaptado de OpenStax Química 2e, Sección 6.5: Variaciones Periódicas en las Propiedades de los Elementos.

Cuando se agrega un electrón a un átomo gaseoso, se observa un cambio de energía llamado afinidad de los electrones. La afinidad de los electrones mide la facilidad de un átomo para ganar un electrón. Por ejemplo, la afinidad de los electrones del cloro es 348, 6 kilojulios por mol.

El signo negativo indica que se trata de un cambio exotérmico. El argón, sin embargo, tiene una afinidad de los electrones positiva, lo que indica que la formación de un anión argón requiere que se suministre energía. En general, cuanto mayor sea la atracción entre un átomo y un electrón añadido, más negativa será la afinidad de los electrones.

Las afinidades de los electrones, similares a las energías de ionización, muestran tendencias en la tabla periódica. Si nos desplazamos al grupo 1, el tamaño atómico aumenta a medida que los electrones ocupan números de quantum principales mayores. Los electrones entrantes, por lo tanto, experimentan una menor atracción nuclear que conduce a menores afinidades de los electrones negativos.

Sin embargo, existen excepciones. En los halógenos, el cloro tiene un valor de afinidad a los electrones más negativo que el flúor. Pero, por qué?

El flúor es el átomo más pequeño de los halógenos y un electrón entrante experimenta una repulsión significativa de los electrones ya presentes. Sin embargo, en el anión cloruro el electrón nuevo se agrega a la tercera capa, ocupando más espacio. Esto reduce las repulsiones electrón-electrón, haciéndolo más atractivo para ganar un electrón.

Generalmente, al moverse a lo largo de un período, las afinidades por los electrones se vuelven más negativas. Los halógenos tienen una afinidad más negativa por los electrones, ya que el electrón entrante ayuda a lograr configuraciones de gases nobles. En comparación, los gases nobles tienen una capa completamente llena.

El electrón entrante debe acomodarse en el nivel de energía principal superior, que es energéticamente desfavorable. Por lo tanto, las afinidades por los electrones en estos elementos son positivas. El grupo 2 muestra excepciones.

La configuración de los electrones indica que el electrón entrante necesita ingresar a una subcapa de mayor energía. Por lo tanto, los valores de afinidad de los electrones son positivos o menos exotérmicos. Curiosamente, el grupo 15 tiene menos afinidades de electrones negativas que el grupo 14.

Compare el fósforo y el silicio. A diferencia del silicio, el fósforo tiene una subcapa p medio llena y el electrón entrante debe ser emparejado con un electrón que ya reside en el orbital p. Esto aumentaría las repulsiones electrón-electrón.

y es, por lo tanto, un proceso energéticamente desfavorable que también se refleja en la afinidad menos negativa del electrón en comparación con el silicio.