8.5: Affinit elettronica

L'affinit elettronica (EA) la variazione di energia necessaria per aggiungere un elettrone a un atomo gassoso per formare un anione (ione negativo).

Questo processo pu essere endotermico o esotermico, a seconda dell'elemento. Molti di questi elementi hanno valori negativi di EA, il che significa che l'energia viene rilasciata quando l'atomo gassoso accetta un elettrone. Tuttavia, per alcuni elementi, necessaria energia affinch l'atomo si carichi negativamente e il valore del loro EA positivo. Proprio come con l’energia di ionizzazione, i successivi valori EA sono associati alla formazione di ioni con pi carica. Il secondo EA l’energia associata all’aggiunta di un elettrone a un anione per formare uno ione 2– e cos via.

Come si pu prevedere, diventa pi facile aggiungere un elettrone attraverso una serie di atomi man mano che aumenta la carica nucleare effettiva degli atomi. Andando da sinistra a destra nel corso di un periodo, gli EA tendono a diventare pi negativi. Le eccezioni riscontrate tra gli elementi del gruppo 2 (2A), gruppo 15 (5A) e gruppo 18 (8A) possono essere comprese in base alla struttura elettronica di questi gruppi. I gas nobili, gruppo 18 (8A), hanno il guscio completamente pieno e l'elettrone in arrivo deve essere aggiunto a un livello n pi alto, cosa pi difficile da fare. Il gruppo 2 (2A) ha un sottolivello ns pieno, e quindi il successivo elettrone aggiunto va nell'energia pi alta np, quindi, ancora una volta, il valore EA osservato non quello previsto dalla tendenza. Infine, il gruppo 15 (5A) ha un sottolivello np riempito per met e l'elettrone successivo deve essere accoppiato con un elettrone np esistente. In tutti questi casi, la stabilit relativa iniziale della configurazione elettronica interrompe la tendenza dell’EA.

Ci si potrebbe aspettare che l'atomo in cima a ciascun gruppo abbia l'EA pi negativo; i loro potenziali di prima ionizzazione suggeriscono che questi atomi hanno le cariche nucleari effettive pi grandi. Tuttavia, spostandoci verso il basso nel gruppo, vediamo che il secondo elemento del gruppo ha molto spesso l'EA pi negativa. Questo pu essere attribuito alle piccole dimensioni del guscio n = 2 e alle conseguenti grandi repulsioni elettrone-elettrone. Ad esempio, il cloro, con un valore EA di –348 kJ/mol, ha il valore pi alto di qualsiasi elemento nella tavola periodica. L'EA del fluoro –322 kJ/mol. Quando aggiungiamo un elettrone a un atomo di fluoro per formare un anione fluoruro (F–), aggiungiamo un elettrone al livello n = 2. L'elettrone attratto dal nucleo, ma si verifica anche una significativa repulsione da parte degli altri elettroni gi presenti in questo piccolo guscio di valenza. L'atomo di cloro ha la stessa configurazione elettronica nel guscio di valenza, ma poich l'elettrone che entra nel guscio n = 3, occupa una regione di spazio considerevolmente pi grande e le repulsioni elettrone-elettrone sono ridotte. L'elettrone che entra non subisce la stessa repulsione e l'atomo di cloro accetta pi facilmente un elettrone aggiuntivo, risultando in un EA pi negativo.

Questo testo adattato da OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.

Quando un elettrone viene aggiunto ad un atomo gassoso, si osserva un cambiamento di energia, detto affinità elettronica. L'affinità degli elettroni misura la facilità di ottenere un elettrone da un atomo. Per esempio, l'affinità degli elettroni del cloro è di 348, 6 kilojoule per mole.

Il segno negativo indica che si tratta di un cambiamento esotermico. L'argon, tuttavia, ha un'affinità degli elettroni positiva, indicando che la formazione di un anione argon richiede energia, che deve essere rifornita. In generale, maggiore è l'attrazione fra un atomo e un elettrone aggiunto, più negativa è l'affinità degli elettroni.

Le affinità degli elettroni, simili alle energie di ionizzazione, mostrano un andamento nella tavola periodica. Scendendo nel gruppo 1, la dimensione atomica aumenta man mano che gli elettroni occupano numeri quantici principali più elevati. Gli elettroni in entrata, quindi, sperimentano meno attrazione nucleare, che porta ad affinità degli elettroni meno negative.

Tuttavia, ci sono delle eccezioni. Negli alogeni, il cloro ha un valore di affinità degli elettroni più negativo del fluoro. Ma perché?

Il fluoro è l'atomo più piccolo degli alogeni e un elettrone in arrivo subisce una repulsione significativa dagli elettroni già presenti. Nell'anione cloruro, tuttavia, il nuovo elettrone viene aggiunto nel terzo guscio, occupando più spazio. Questo riduce le repulsioni elettrone-elettrone, rendendo più facile l'acquisizione di un elettrone.

Generalmente, spostandosi lungo la tavola periodica, le affinità degli elettroni diventano più negative. Gli alogeni hanno le affinità degli elettroni più negative, poiché l'elettrone in arrivo aiuta a ottenere configurazioni di gas nobili. A confronto, i gas nobili hanno un guscio completamente pieno.

L'elettrone in arrivo deve essere sistemato nel livello di energia principale più elevato, che è energicamente sfavorevole. Pertanto, le affinità degli elettroni per questi elementi sono positive. Il gruppo 2 mostra eccezioni.

La configurazione elettronica indica che l'elettrone in arrivo deve entrare in un subshell ad alta energia. Pertanto, i valori di affinità degli elettroni sono positivi o meno esotermici. È interessante notare che il gruppo 15 ha affinità degli elettroni meno negative rispetto al gruppo 14.

Confrontiamo fosforo e silicio. A differenza del silicio, il fosforo ha un subshell riempito a metà e l'elettrone in arrivo dovrà essere accoppiato con un elettrone già residente nell'orbitale p. Ciò aumenterebbe le repulsioni elettrone-elettrone, risultando in un processo energicamente sfavorevole, che si riflette anche nell'affinità degli elettroni maggiore rispetto al silicio.