8.5: Электронное сродство

Сродство к электрону (ε) — это изменение энергии для добавления электрона в газообразный атом, образуя анион (отрицательный ион).

Этот процесс может быть как эндотермическим, так и экзотермическим, в зависимости от элемента. Многие из этих элементов имеют отрицательные значения ε, что означает, что энергия высвобождается, когда газообразный атом принимает электрон. Однако для некоторых элементов требуется энергия для того, чтобы атом был отрицательно заряжен, и ценность их ε положительна. Как и в случае энергии ионизации, последующие значения связаны с образованием ионов с большим количеством заряда. Второй советник — это энергия, связанная с добавлением электрона в анион, чтобы сформировать 2-ион, и так далее.

Как можно было бы предсказать, по мере увеличения эффективного ядерного заряда атомов становится легче добавлять электрон через ряд атомов. По мере того как мы идем слева направо в течение некоторого времени, ε, как правило, становится более отрицательной. Исключения, найденные среди элементов группы 2 (2A), группы 15 (5A) и группы 18 (8A), можно понять на основе электронной структуры этих групп. Благородные газы, группа 18 (8A), имеют полностью заполненную оболочку, и входящий электрон должен быть добавлен на более высокий n уровень, что более трудно сделать. Группа 2 (2A) имеет заполненную оболочку НС, поэтому следующий добавленный электрон попадает в более высокую энергетическую np, поэтому, опять же, наблюдаемое значение ε не соответствует тренду. Наконец, группа 15 (5A) имеет полузаполненную np-подоболочку, и следующий электрон должен быть сопряжен с существующим np-электроном. Во всех этих случаях начальная относительно стабильная электронная конфигурации нарушает тенденцию в ε.

Можно было бы ожидать, что атом в верхней части каждой группы будет иметь самый отрицательный ε; их первые потенциалы ионизации предполагают, что эти атомы имеют самые большие эффективные ядерные заряды. Однако, по мере того как мы перемещаемся вниз по группе, мы видим, что второй элемент в группе чаще всего имеет самый отрицательный советник. Это может быть связано с малым размером оболочки n = 2 и возникающей в результате большой электронно-электронной отталкивания. Например, хлор, значение ε которого составляет –348 кДж/моль, имеет наибольшее значение для любого элемента периодической таблицы. ε фтора составляет –322 кДж/моль. При добавлении электрона к атому фтора для образования аниона фторида (F–), мы добавляем электрон в оболочку n = 2. Электрон притягивается к ядру, но есть и значительное отталкивание от других электронов, уже присутствующих в этой небольшой валентной оболочке. Атом хлора имеет одинаковую электронную конфигурацию в оболочке валентности, но поскольку входящий электрон попадает в оболочку n = 3, он занимает значительно большую область пространства и уменьшается электрон-электрон отталкивания. Входящий электрон не испытает столько отталкивания, и атом хлора принимает дополнительный электрон более охотно, что приводит к более отрицательному ε.

Этот текст адаптирован из OpenStax Химия 2е изд., раздел 6.5: Периодические изменения свойств элемента.

Когда электрон присоединяется к газообразному атому, наблюдается изменение энергии, называемое сродством к электрону. Сродство к электрону измеряет легкость связывания электрона атомом. Например, сродство к электрону хлора составляет 348, 6 килоджоулей на моль.

Отрицательный знак означает, что это экзотермическое изменение. Однако аргон имеет положительное сродство к электрону, что указывает на то, что для образования аниона аргона требуется приток энергии. В общем, чем больше притяжение между атомом и добавленным электроном, тем более отрицательно его сродство к электрону.

Сродство к электрону, подобно энергии ионизации, показывает тенденции в периодической таблице. При движении вниз по 1-й группе размер атома увеличивается, поскольку электроны занимают более высокие главные квантовые числа. Следовательно, входящие электроны испытывают меньшее ядерное притяжение, что приводит к меньшему отрицательному сродству к электрону.

Однако бывают исключения. В галогенах хлор имеет более отрицательное значение сродства к электрону, чем фтор. Но почему?

Фтор самый маленький атом из галогенов, и входящий электрон испытывает значительное отталкивание от уже имеющихся электронов. Однако в хлорид-анионе новый электрон добавляется в третью оболочку, занимающую больше места. Это уменьшает электрон-электронное отталкивание, делая прибывший электрон более притягательным.

Как правило, при переходе через период сродство к электрону становится более отрицательным. Галогены имеют самое отрицательное сродство к электрону, поскольку входящий электрон помогает достичь конфигурации благородного газа. Для сравнения:благородные газы имеют полностью заполненную оболочку.

Входящий электрон должен быть размещен на более высоком основном энергетическом уровне, что является энергетически невыгодным. Таким образом, сродство к электрону для этих элементов положительно. Во 2-й группе есть исключения.

Электронная конфигурация показывает, что входящий электрон должен войти в подуровень с более высокой энергией. Таким образом, значения сродства к электрону либо положительны, либо менее экзотермичны. Интересно, что 15-я группа имеет меньшее отрицательное сродство к электрону, чем 14-я.

Сравните фосфор и кремний. В отличие от кремния, фосфор имеет наполовину заполненный p-подуровень, и входящий электрон должен быть спарен с электроном, уже находящимся на p-орбитали. Это увеличило бы электрон-электронное отталкивание и, следовательно, является энергетически невыгодным процессом, что также отражается в меньшем отрицательном сродстве к электрону по сравнению с кремнием.