Как найти сродство к электрону

СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ

СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ
частицы (молекулы, атома, иона), миним. энергия А, необходимая
для удаления электрона из соответствующего отрицат. иона на бесконечность. Для
частицы X сродство к электрону относится к процессу:

Сродство к электрону равно энергии ионизации
E отрицат. иона X^—(первому потенциалу ионизации U₁,
измеряется в эВ). По аналогии с потенциалом ионизации различают первое
и второе сродство к электрону, а также вертикальное и адиабатическое сродство к электрону многоатомной
частицы. Термодинамич. определение сродства к электрону-стандартная энтальпияр-ции
(1) при абс. нуле т-ры:

= АN_А (N_А~постоянная
Авогадро).

Надежных эксперим. данных
по сродству к электрону атомов и молекул до сер. 60-х гг. 20 в. практически не существовало.
В настоящее время использование равновесных методов получения и исследования
отрицат. ионов позволило получить первые сродства к электрону для большинства элементов периодич.
системы и неск. сотен орг. и неорг. молекул. Наиб. перспективные методы определения
сродства к электрону-фотоэлектронная спектроскопия (точность + 0,01 эВ) и масс-спектрометрич.
исследование равновесий ионно-молекулярных реакций. Квантовомех. расчеты
сродства к электрону аналогичны расчетам потенциалов ионизации. Наилучшая точность для многоатомных
молекул составляет 0,05-0,1 эВ.

Наибольшим сродством к электрону обладают
атомы галогенов. Для ряда элементов сродство к электрону близко к нулю или меньше нуля. Последнее
означает, что для данного элемента устойчивого отрицат. иона не существует.
В табл. 1 приведены значения сродства к электрону атомов, полученные методом фотоэлектронной
спектроскопии (работы У. Лайнебергера с сотрудниками).

Сродство к электрону молекул составляет,
как правило, От 0 до 4 эВ (табл. 2).

Обнаружены молекулы с очень
высокими значениями сродства к электрону-гекса-, пента- и тетрафториды переходных металлов.
Наибольшим из известных в настоящее время значений сродства к электрону обладает PtF₆
(7,00 b 0,35 эВ).

Сродство к электрону определяет окислит.
способность частицы. Молекулы с высокими значениями сродства к электрону-сильные окислители.
С их помощью были получены хим. соед. благородных газов, соед. внедрения в графите.

Существование многозарядных
(Двух- и более) многоатомных отрицат. ионов в основном состоянии в газовой фазе
до сих пор экспериментально не подтверждено. Возможен лишь квантовомех. расчет
или расчет по циклу Борна-Габера второго или более высокого сродства к электрону для молекул.
Для ряда молекул второе сродство к электрону, полученное таким способом, является существенно
положительным (PtF₆ 3,8 эВ, CrF₆ 2,44 эВ).

Лит.: Christophoroit
А., McCorkle D., Christophorou L., «Electron-Mob Interactions and
Their’Applications», 1984, v. 2, p. 423-641; Hotop H., Lineberger W.C.,
«Phys. Chem. Ref. Data», 1985, v. 14, № 3, p. 731-50.

М. В. Коробов.

Соседние файлы в папке лекции биологам

• #
• #
• #

From Wikipedia, the free encyclopedia

The electron affinity (E_ea) of an atom or molecule is defined as the amount of energy released when an electron attaches to a neutral atom or molecule in the gaseous state to form an anion.

X(g) + e⁻ → X⁻(g) + energy

This differs by sign from the energy change of electron capture ionization.^[1] The electron affinity is positive when energy is released on electron capture.

In solid state physics, the electron affinity for a surface is defined somewhat differently (see below).

Measurement and use of electron affinity[edit]

This property is used to measure atoms and molecules in the gaseous state only, since in a solid or liquid state their energy levels would be changed by contact with other atoms or molecules.

A list of the electron affinities was used by Robert S. Mulliken to develop an electronegativity scale for atoms, equal to the average of the electrons
affinity and ionization potential.^[2][3] Other theoretical concepts that use electron affinity include electronic chemical potential and chemical hardness. Another example, a molecule or atom that has a more positive value of electron affinity than another is often called an electron acceptor and the less positive an electron donor. Together they may undergo charge-transfer reactions.

Sign convention[edit]

To use electron affinities properly, it is essential to keep track of sign. For any reaction that releases energy, the change ΔE in total energy has a negative value and the reaction is called an exothermic process. Electron capture for almost all non-noble gas atoms involves the release of energy^[4] and thus is exothermic. The positive values that are listed in tables of E_ea are amounts or magnitudes. It is the word «released» within the definition «energy released» that supplies the negative sign to ΔE. Confusion arises in mistaking E_ea for a change in energy, ΔE, in which case the positive values listed in tables would be for an endo- not exo-thermic process. The relation between the two is E_ea = −ΔE(attach).

However, if the value assigned to E_ea is negative, the negative sign implies a reversal of direction, and energy is required to attach an electron. In this case, the electron capture is an endothermic process and the relationship, E_ea = −ΔE(attach) is still valid. Negative values typically arise for the capture of a second electron, but also for the nitrogen atom.

The usual expression for calculating E_ea when an electron is attached is

E_ea = (E_initial − E_final)_attach = −ΔE(attach)

This expression does follow the convention ΔX = X(final) − X(initial) since −ΔE = −(E(final) − E(initial)) = E(initial) − E(final).

Equivalently, electron affinity can also be defined as the amount of energy required to detach an electron from the atom while it holds a single-excess-electron thus making the atom a negative ion,^[1] i.e. the energy change for the process

X⁻ → X + e⁻

If the same table is employed for the forward and reverse reactions, without switching signs, care must be taken to apply the correct definition to the corresponding direction, attachment (release) or detachment (require). Since almost all detachments (require +) an amount of energy listed on the table, those detachment reactions are endothermic, or ΔE(detach) > 0.

E_ea = (E_final − E_initial)_detach = ΔE(detach) = −ΔE(attach).

Electron affinities of the elements[edit]

Although E_ea varies greatly across the periodic table, some patterns emerge. Generally, nonmetals have more positive E_ea than metals. Atoms whose anions are more stable than neutral atoms have a greater E_ea. Chlorine most strongly attracts extra electrons; neon most weakly attracts an extra electron. The electron affinities of the noble gases have not been conclusively measured, so they may or may not have slightly negative values.

E_ea generally increases across a period (row) in the periodic table prior to reaching group 18. This is caused by the filling of the valence shell of the atom; a group 17 atom releases more energy than a group 1 atom on gaining an electron because it obtains a filled valence shell and therefore is more stable. In group 18, the valence shell is full, meaning that added electrons are unstable, tending to be ejected very quickly.

Counterintuitively, E_ea does not decrease when progressing down most columns of the periodic table. For example, E_ea actually increases consistently on descending the column for the group 2 data. Thus, electron affinity follows the same «left-right» trend as electronegativity, but not the «up-down» trend.

The following data are quoted in kJ/mol.

Molecular electron affinities[edit]

The electron affinity of molecules is a complicated function of their electronic structure.
For instance the electron affinity for benzene is negative, as is that of naphthalene, while those of anthracene, phenanthrene and pyrene are positive. In silico experiments show that the electron affinity of hexacyanobenzene surpasses that of fullerene.^[5]

«Electron affinity» as defined in solid state physics[edit]

In the field of solid state physics, the electron affinity is defined differently than in chemistry and atomic physics. For a semiconductor-vacuum interface (that is, the surface of a semiconductor), electron affinity, typically denoted by E_EA or χ, is defined as the energy obtained by moving an electron from the vacuum just outside the semiconductor to the bottom of the conduction band just inside the semiconductor:^[6]

In an intrinsic semiconductor at absolute zero, this concept is functionally analogous to the chemistry definition of electron affinity, since an added electron will spontaneously go to the bottom of the conduction band. At nonzero temperature, and for other materials (metals, semimetals, heavily doped semiconductors), the analogy does not hold since an added electron will instead go to the Fermi level on average. In any case, the value of the electron affinity of a solid substance is very different from the chemistry and atomic physics electron affinity value for an atom of the same substance in gas phase. For example, a silicon crystal surface has electron affinity 4.05 eV, whereas an isolated silicon atom has electron affinity 1.39 eV.

The electron affinity of a surface is closely related to, but distinct from, its work function. The work function is the thermodynamic work that can be obtained by reversibly and isothermally removing an electron from the material to vacuum; this thermodynamic electron goes to the Fermi level on average, not the conduction band edge: . While the work function of a semiconductor can be changed by doping, the electron affinity ideally does not change with doping and so it is closer to being a material constant. However, like work function the electron affinity does depend on the surface termination (crystal face, surface chemistry, etc.) and is strictly a surface property.

In semiconductor physics, the primary use of the electron affinity is not actually in the analysis of semiconductor–vacuum surfaces, but rather in heuristic electron affinity rules for estimating the band bending that occurs at the interface of two materials, in particular metal–semiconductor junctions and semiconductor heterojunctions.

In certain circumstances, the electron affinity may become negative.^[7] Often negative electron affinity is desired to obtain efficient cathodes that can supply electrons to the vacuum with little energy loss. The observed electron yield as a function of various parameters such as bias voltage or illumination conditions can be used to describe these structures with band diagrams in which the electron affinity is one parameter. For one illustration of the apparent effect of surface termination on electron emission, see Figure 3 in Marchywka Effect.

See also[edit]

• Ionization energy — a closely related concept describing the energy required to remove an electron from a neutral atom or molecule
• One-electron reduction
• Electron-capture mass spectrometry
• Electronegativity
• Valence electron
• Vacuum level
• Electron donor

References[edit]

• Tro, Nivaldo J. (2008). Chemistry: A Molecular Approach (2nd Edn.). New Jersey: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-100065-9. pp. 348–349.

External links[edit]

• Electron affinity, definition from the IUPAC Gold Book

Эне́ргией сродства́ а́тома к электро́ну, или просто его сродством к электрону (ε), называют энергию, выделяющуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому Э в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион Э⁻ (сродство атома к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона).

Э + e⁻ = Э⁻ + ε

Сродство к электрону выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электронвольтах на атом (эВ/атом).

В отличие от ионизационного потенциала атома, имеющего всегда эндоэнергетическое значение, сродство атома к электрону описывается как экзоэнергетическими, так и эндоэнергетическими значениями (см. табл.).

Таблица 1 Энергия сродства некоторых атомов к электрону, эВ

Элемент	ε	Элемент	ε	Элемент	ε
H	-0,75	Na	-0,78	K	-0,92
He	0,30	Mg	0,32	Ca	0,40
Li	-0,58	Al	-0,52	Sc	0,14
Be	0,19	Si	-1,39	Ti	-0,40
B	-0,33	P	-0,78	V	-0,94
C	-1,12	S	-2,07	Cr	-0,98
N	0,27	Cl	-3,61	Mn	1,07
О	-1,47	Br	-3,36	Fe	-0,58
F	-3,45	I	-3,06	Co	-0,94
Ne	0,55			Ni	-1,28
				Cu	-1,80

Наибольшим сродством к электрону обладают p-элементы VII группы. Наименьшее сродство к электрону у атомов с конфигурацией s² (Be, Mg, Zn) и s²p⁶ (Ne, Ar) или с наполовину заполненными p-орбиталями (N, P, As):

Таблица 2

	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
Электронная конфигурация	s1	s2	s2p1	s2p2	s2p3	s2p4	s2p5	s2p6
ε, эВ	-0,59	0,19	-0,30	-1,27	0,21	-1,47	-3,45	0,22

Небольшие расхождения в цифрах между табл. 1 и табл. 2 обусловлены тем, что данные взяты из разных источников, а также погрешностью измерений.

Литература

1. Ахметов Н.С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. — М.:Просвещение, 1991. — 224 с. ISBN 5-09-002630-0
2. Корольков Д.В. Основы неорганической химии. — М.:Просвещение, 1982. — 271 с.

Структурная химия
Химическая связь:	Ароматичность | Ковалентная связь | Ионная связь | Металлическая связь | Водородная связь | Донорно-акцепторная связь | Таутомерия | Ван-дер-Ваальсова связь
Отображение структуры:	Функциональная группа | Структурная формула | Скелетная формула органических соединений | Химическая формула | Лиганд | Координационная геометрия | Координационная сфера
Электронные свойства:	Электроотрицательность | Сродство к электрону | Энергия ионизации | Полярность химических связей | Правило октета
Стереохимия:	Асимметрический атом | Изомерия | Конфигурация | Хиральность | Конформация

Сродство к электрону (Eea) атома или молекулы определяется как количество энергии, высвобождаемой, когда электрон присоединяется к нейтральному атому или молекуле в газообразном состоянии с образованием отрицательного иона.

X (g) + e → X (g) + energy

Обратите внимание, что это не то же самое, что изменение энтальпии при ионизации с захватом электронов, которое определяется как отрицательное при высвобождении энергии. Другими словами, это изменение энтальпии и сродство к электрону различаются отрицательным знаком.

В физике твердого тела сродство к электрону для поверхности определяется несколько иначе (см. Ниже ).

Содержание

• 1 Измерение и использование сродства к электрону
  • 1.1 Условное обозначение
• 2 Сродство к электрону элементов
• 3 Сродство к электрону
• 4 «Сродство к электрону», как определено в физике твердого тела
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Измерение и использование сродства к электрону

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

Список сродства к электрону был использован Робертом С. Малликеном для разработки шкалы электроотрицательности для атомов, равной среднему сродству электронов и потенциал ионизации. Другие теоретические концепции, использующие сродство к электрону, включают электронный химический потенциал и химическую твердость. Другой пример, молекула или атом, у которых более положительное значение сродства к электрону, чем у другого, часто называют акцептором электронов, а менее положительное — донором электронов. Вместе они могут подвергаться реакции передачи заряда.

Соглашение о знаках

Чтобы правильно использовать сродство к электрону, важно отслеживать знак. Для любой реакции, которая высвобождает энергию, изменение ΔE в общей энергии имеет отрицательное значение, и реакция называется экзотермическим процессом. Захват электронов почти всех атомов благородных газов, кроме благородных газов, включает выделение энергии и, следовательно, является экзотермическим. Положительные значения, перечисленные в таблицах E ea, представляют собой суммы или величины. Слово «высвобожденная» в определении «высвобожденная энергия» придает ΔE отрицательный знак. Возникает путаница, когда E ea принимают за изменение энергии, ΔE, и в этом случае положительные значения, перечисленные в таблицах, относятся к эндо-не экзотермическому процессу. Связь между ними: E ea = -ΔE (прикрепить).

Однако, если значение, присвоенное E ea, является отрицательным, отрицательный знак подразумевает изменение направления на противоположное, и для присоединения электрона требуется энергия. В этом случае захват электронов является эндотермическим процессом, и соотношение E ea = -ΔE (присоединить) все еще остается в силе. Отрицательные значения обычно возникают для захвата второго электрона, но также и для атома азота.

Обычное выражение для вычисления E ea при присоединении электрона:

Eea= (E начальный — E конечный) attach = −ΔE (прикрепить)

Это выражение действительно следует соглашению ΔX = X (final) — X (initial), поскольку −ΔE = — (E (final) — E (initial)) = E ( начальная) — Е (конечная).

Эквивалентно сродство к электрону также можно определить как количество энергии, необходимое для отделения электрона от атома, когда он удерживает электрон с единичным избытком, что делает атом отрицательный ион, т.е. изменение энергии для процесса

X → X + e

Если для прямой и обратной реакций используется одна и та же таблица, без знаков переключения, необходимо соблюдать осторожность, чтобы применить правильное определение в соответствующем направлении, присоединение (освобождение) или отсоединение (требуется). Поскольку почти все отделения (требуют +) количества энергии, указанного в таблице, эти реакции отделения являются эндотермическими, или ΔE (отсоединение)>0.

Eea= (E final — E initial) detach = ΔE (detach) = −ΔE (attach).

Сродство элементов к электронам

Сродство к электрону (E ea) в зависимости от атомного номера (Z). Обратите внимание на объяснение условных обозначений в предыдущем разделе.

Хотя E ea сильно различается по периодической таблице, некоторые закономерности проявляются. Как правило, неметаллы имеют более положительное значение E ea, чем металлы. Атомы, анионы которых более стабильны, чем нейтральные атомы, имеют большее значение E ea. Хлор сильнее всего притягивает лишние электроны; неон наиболее слабо притягивает лишний электрон. Электронное сродство благородных газов не было окончательно измерено, поэтому они могут иметь или не иметь слегка отрицательные значения.

Eeaобычно увеличивается через период (строку) 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, а это означает, что добавленные электроны нестабильны и имеют тенденцию очень быстро выбрасываться.

Как это ни странно, E ea не уменьшается при перемещении вниз по строкам периодической таблицы, как можно ясно видеть в данных группы 2. Таким образом, сродство к электрону следует той же тенденции «влево-вправо», что и электроотрицательность, но не тенденции «вверх-вниз».

Следующие данные приведены в кДж / моль.

v t Сродство к электрону в таблице Менделеева
Группа →	1	2	3		4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
↓ Период	.
1	H 73	.	He (- 50)
2	Li 60	Be (−50)	.	B 27	C 122	N −7	O 141	F 328	Ne (−120)
3	Na 53	Mg (- 40)	.	Al 42	Si 134	P 72	S 200	Cl 349	Ar (−96)
4	K 48	Ca 2	Sc 18		Ti 7	V 51	Cr 65	Mn (- 50)	Fe 15	Co 64	Ni 112	Cu 119	Zn (−60)	Ga 29	Ge 119	As 78	Se 195	Br 325	Kr (- 60)
5	Rb 47	Sr 5	Y 30		Zr 42	Nb 89	Mo 72	Tc (53)	Ru (101)	Rh 110	Pd 54	Ag 126	Cd ( -70)	In 37	Sn 107	Sb 101	Te 190	I 295	Xe (-80)
6	Cs 46	Ba 14	La 54		Hf 17	Ta 31	W 79	Re 6	Os 104	Ir 151	Pt 205	Au 223	Hg (-50)	Tl 31	Pb 34	Bi 91	Po (136)	At 233	Rn (- 70)
7	Fr (47)	Ra (10)	Ac (34)		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg (151)	Cn (<0)	Nh (67)	Fl (<0)	Mc (35)	Lv (75)	Ts (212)	Og (5)
.
	Ce 55	Pr 11	Nd 9	Pm (12)	Sm (16)	Eu 11	Gd (13)	Tb 13	Dy (>34)	Ho (33)	Er (30)	Tm 99	Yb (−2)	Lu 23
	Th (113)	Pa (53)	U (51)	Np ( 46)	Pu (−4	Am (10)	Cm (27)	Bk (−165)	Cf (−97)	Es (−29)	Fm (34)	Md (94)	No (−223)	Lr (−30)
Условные обозначения
Значения указаны в кДж / моль, округлены
Эквивалент в эВ см.: Сродство к электрону (данные страница)
Круглые скобки обозначают прогнозы
Первичный От распада Синтетический Граница показывает естественное появление элемента Цвет фона показывает подкатегорию в тенденции металл – металлоид – неметалл: Металл Металлоид Неметалл Неизвестно. химические. свойства Щелочной металл Щелочноземельный металл Лантаноид Актинид Переходный металл Постпереходный металл Реактивный неметалл Благородный газ

Молекулярное сродство к электрону

Сродство молекул к электрону является сложной функцией их электронная структура. Например, сродство к электрону для бензола отрицательно, как и для нафталина, в то время как сродство антрацена, фенантрена и пирен положительны. In silico эксперименты показывают, что сродство к электрону превосходит сродство фуллерена.

«сродство к электрону», как определено в физике твердого тела

Зонная диаграмма границы раздела полупроводник-вакуум, показывающая электрон сродство E EA, определяемое как разница между энергией приповерхностного вакуума E vac и приповерхностной зоной проводимости краем E C. Также показано: уровень Ферми EF, валентная зона край E V, работа выхода W.

В области физики твердого тела сродство к электрону определяется иначе, чем в химии и атомная физика. Для границы раздела полупроводник-вакуум (то есть поверхности полупроводника) сродство к электрону, обычно обозначаемое E EA или χ, определяется как энергия, полученная при перемещении электрона из вакуума сразу за пределы полупроводник до нижней части зоны проводимости внутри полупроводника:

EEA ≡ E vac — EC { displaystyle E _ { rm {EA}} Equiv E _ { rm {vac}} — E _ { rm {C}}}

В собственном полупроводнике с абсолютным нулем эта концепция функционально аналогична химическому определению сродства к электрону, так как добавленный электрон самопроизвольно уходит в нижнюю часть зона проводимости. При ненулевой температуре и для других материалов (металлов, полуметаллов, сильно легированных полупроводников) аналогия не выполняется, поскольку добавленный электрон вместо этого переходит в среднем на уровень Ферми. В любом случае, значение сродства к электрону твердого вещества сильно отличается от значения сродства к электрону для атома того же вещества в газовой фазе по химии и атомной физике. Например, поверхность кристалла кремния имеет сродство к электрону 4,05 эВ, тогда как изолированный атом кремния имеет сродство к электрону 1,39 эВ.

Сродство к электрону поверхности тесно связано с ее работой выхода, но отличается от нее. Работа выхода — это термодинамическая работа, которая может быть получена путем обратимого и изотермического удаления электрона из материала в вакуум; этот термодинамический электрон переходит в среднем на уровень Ферми, а не на край зоны проводимости: W = E vac — EF { displaystyle W = E _ { rm {vac}} — E _ { rm {F}}}. В то время как работа выхода полупроводника может быть изменена с помощью легирования, в идеале сродство к электрону не изменяется при легировании, и поэтому оно ближе к материальной постоянной. Однако, как и работа выхода, сродство к электрону действительно зависит от границы поверхности (грань кристалла, химия поверхности и т. Д.) И является строго поверхностным свойством.

В физике полупроводников основное использование сродства к электрону на самом деле не в анализе поверхностей полупроводник – вакуум, а скорее в эвристических правилах сродства к электрону для оценки изгиба зон., который возникает на границе раздела двух материалов, в частности, переходов металл – полупроводник и полупроводников гетеропереходов.

В определенных обстоятельствах сродство к электрону может стать отрицательным. Часто отрицательное сродство к электрону желательно для получения эффективных катодов, которые могут подавать электроны в вакуум с небольшими потерями энергии. Наблюдаемый выход электронов как функция различных параметров, таких как напряжение смещения или условия освещения, можно использовать для описания этих структур с помощью полосовых диаграмм , в которых сродство к электрону является одним параметром. В качестве одной из иллюстраций очевидного влияния поверхностного обрыва на эмиссию электронов см. Рисунок 3 в Эффект Маркивки.

См. Также

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

Литература

• Tro, Nivaldo J. (2008). Химия: молекулярный подход (2-е изд.). Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-100065-9 . стр. 348–349.

Внешние ссылки

• Сродство к электрону, определение из IUPAC Gold Book