Электронное сродство - Electron affinity

В электронное сродство (E_еа) из атом или молекула определяется как количество энергии вышел когда электрон присоединяется к нейтральному атому или молекуле в газообразном состоянии с образованием отрицательного иона.^[1]

Х (г) + е⁻ → X⁻(г) + энергия

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

В физика твердого тела, электронное сродство к поверхности определяется несколько иначе (см. ниже ).

Измерение и использование сродства к электрону

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

Список сродства к электрону был использован Роберт С. Малликен разработать электроотрицательность шкала для атомов, равная среднему значению сродства электронов и потенциал ионизации.^[2]^[3] Другие теоретические концепции, использующие сродство к электрону, включают электронный химический потенциал и химическая твердость. Другой пример, молекула или атом, у которых есть более положительное значение сродства к электрону, чем другой, часто называют акцептор электронов и менее позитивный донор электронов. Вместе они могут пройти передача заряда реакции.

Подписать соглашение

Чтобы правильно использовать сродство к электрону, важно отслеживать знак. Для любой реакции, которая релизы энергия, изменять ΔE в полная энергия имеет отрицательное значение, и реакция называется экзотермический процесс. Электронный захват почти для всехблагородный газ атомы связаны с высвобождением энергии^[4] и поэтому экзотермичны. Положительные значения, перечисленные в таблицах E_еа суммы или величины. Слово «высвобожденная» в определении «высвобождаемая энергия» придает знак минус Δ.E. Путаница возникает из-за ошибки E_еа при изменении энергии ΔE, и в этом случае положительные значения, перечисленные в таблицах, относятся к эндо-экзотермическому процессу. Отношения между ними E_еа = −ΔE(прикреплять).

Однако если значение, присвоенное E_еа отрицательный, отрицательный знак означает изменение направления, а энергия равна требуется прикрепить электрон. В этом случае захват электрона эндотермический процесс и отношения, E_еа = −ΔE(прикрепить) все еще в силе. Отрицательные значения обычно возникают для захвата второго электрона, но также и для атома азота.

Обычное выражение для расчета E_еа когда электрон присоединен

E еа = (E исходный - E окончательный) прикреплять = -Δ E (прикреплять)

Это выражение следует соглашению ΔИкс = Икс(финал) - Икс(начальное), поскольку −ΔE = −(E(финал) - E(начальный)) = E(начальная) - E(окончательный).

Эквивалентно сродство к электрону также можно определить как количество энергии требуется отделить электрон от атома, пока он держит одиночный избыточный электрон таким образом делая атом отрицательный ион,^[1] т.е. изменение энергии для процесса

Икс⁻ → Х + е⁻

Если для прямой и обратной реакции используется одна и та же таблица, без переключения знаковнеобходимо соблюдать осторожность, чтобы применить правильное определение к соответствующему направлению, прикреплению (выпуску) или отсоединению (требованию). Поскольку почти все отряды (требуется +) количество энергии, указанное в таблице, эти реакции отрыва являются эндотермическими, или ΔE(отсоединить)> 0.

E еа = (E окончательный - E исходный) отделить = Δ E (отсоединить) = -Δ E (прикреплять)

.

Электронное сродство элементов

Сродство к электрону (E_еа) против атомного номера (Z). Обратите внимание на объяснение условных обозначений в предыдущем разделе.

Несмотря на то что E_еа сильно варьируется по периодической таблице, появляются некоторые закономерности. В общем, неметаллы иметь более позитивный E_еа чем металлы. Атомы, анионы которых более стабильны, чем нейтральные атомы, имеют большую E_еа. Хлор наиболее сильно 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.

E_еа обычно увеличивается через период (строку) в периодической таблице до достижения группы 18. Это вызвано заполнением валентной оболочки атома; а группа 17 атом выделяет больше энергии, чем группа 1 атом при получении электрона, потому что он получает заполненный валентной оболочки и поэтому более стабильный. В группе 18 валентная оболочка заполнена, а это означает, что добавленные электроны нестабильны и имеют тенденцию очень быстро выбрасываться.

Как ни странно, E_еа делает нет уменьшаются по мере продвижения вниз по строкам таблицы Менделеева, что хорошо видно на группа 2 данные. 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.

Электронное сродство в периодическая таблица

Группа →

↓ Период

ЧАС 73

Он (−50)

2

Ли 60

Быть (−50)

B 27

C 122

N −7

О 141

F 328

Ne (−120)

3

Na 53

Mg (−40)

Al 42

Si 134

п 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

В качестве 78

Se 195

Br 325

Kr (−60)

5

Руб. 47

Sr 5

Y 30

Zr 42

Nb 89

Пн 72

Tc (53)

RU (101)

Rh 110

Pd 54

Ag 126

CD (−70)

В 37

Sn 107

Sb 101

Te 190

я 295

Xe (−80)

6

CS 46

Ба 14

Ла 54

Hf 17

Та 31

W 79

Re 6

Операционные системы 104

Ir 151

Pt 205

Au 223

Hg (−50)

Tl 31

Pb 34

Би 91

По (136)

В 233

Rn (−70)

7

Пт (47)

Ра (10)

Ac (34)

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg (151)

Cn (<0)

Nh (67)

Fl (<0)

Mc (35)

Lv (75)

Ц (212)

Og (5)

Ce 55

Pr 11

Nd 9

Вечера (12)

См (16)

Европа 11

Б-г (13)

Tb 13

Dy (>34)

Хо (33)

Э (30)

Тм 99

Yb (−2)

Лу 23

Чт (113)

Па (53)

U (51)

Np (46)

Пу (−48)

Являюсь (10)

См (27)

Bk (−165)

Cf (−97)

Es (−29)

FM (34)

Мкр (94)

Нет (−223)

Lr (−30)

Легенда

Ценности в кДж / моль, округлый

Эквивалент в эВ см .: Сродство к электрону (страница данных)

Круглые скобки обозначают прогнозы

Изначальный От распада Синтетический Граница показывает естественное появление элемента

Фоновый цвет показывает категорию:

Щелочной металл

Щелочноземельный металл

Другой неметалл

Молекулярное сродство к электрону

Электронное сродство молекул - сложная функция их электронной структуры, например сродство к электрону для бензол отрицательно, как и нафталин, в то время как антрацен, фенантрен и пирен положительные. In silico эксперименты показывают, что электронное сродство гексацианобензол превосходит фуллерен.^[5]

«Сродство к электрону», как оно определено в физике твердого тела

Ленточная диаграмма границы раздела полупроводник-вакуум показывает сродство к электрону E_EA, определяемую как разность энергии приповерхностного вакуума E_{пылесос}, и приповерхностные зона проводимости край E_C. Также показано: Уровень Ферми E_F, валентная полоса край E_V, рабочая функция W.

В области физика твердого тела, сродство к электрону определяется иначе, чем в химии и атомной физике. Для границы раздела 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 пределами полупроводника к нижней части зона проводимости только внутри полупроводника:^[6]

{ Displaystyle E _ { rm {EA}} Equiv E _ { rm {vac}} - E _ { rm {C}}}

В собственном полупроводнике при абсолютный ноль, эта концепция функционально аналогична химическому определению сродства к электрону, так как добавленный электрон самопроизвольно переходит 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 в Уровень Ферми в среднем. 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 сродством, но отличается от него. рабочая функция. Рабочая функция - это термодинамическая работа это может быть получено путем обратимого и изотермического удаления электрона из материала в вакуум; этот термодинамический электрон переходит в Уровень Ферми в среднем, а не край зоны проводимости: ${ displaystyle W = E _ { rm {vac}} - E _ { rm {F}}}$ . В то время рабочая функция полупроводника можно изменить допинг, сродство к электрону в идеале не изменяется при легировании, поэтому оно ближе к материальной константе. 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 эвристическом анализе. правила сродства к электрону для оценки изгиб ленты что происходит на границе двух материалов, в частности переходы металл – полупроводник и полупроводник гетеропереходы.

При определенных обстоятельствах сродство к электрону может стать отрицательным.^[7] Часто для получения эффективного катоды который может поставлять 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 ленточные диаграммы в котором сродство к электрону является одним параметром. Для одной иллюстрации очевидного влияния поверхностного обрыва на эмиссию электронов см. Рисунок 3 в Эффект Маркивки.

Смотрите также

Энергия ионизации - тесно связанное понятие, описывающее энергию, необходимую для удалять электрон от нейтрального атома или молекулы
Одноэлектронное восстановление
Электронно-захватная масс-спектрометрия
Электроотрицательность
валентный электрон
Уровень вакуума
Электронный донор

внешняя ссылка

Электронное сродство, определение из ИЮПАК Золотая книга

[Compendiumof-1] а ^б ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Электронное сродство ". Дои:10.1351 / goldbook.E01977

[2] Роберт С. Малликен, Журнал химической физики, 1934, 2, 782.

[3] Современная физическая органическая химия, Эрик В. Анслин и Деннис А. Догерти, University Science Books, 2006, ISBN 978-1-891389-31-3

[4] Химические принципы в поисках понимания, Питер Аткинс и Лоретта Джонс, Фриман, Нью-Йорк, 2010 г. ISBN 978-1-4292-1955-6

[5] Замечательные электроноакцепторные свойства простейших бензоидцианоуглеродов: гексацианобензола, октацианонафталина и декацианоантрацена. Сюхуэй Чжан, Цяньшу Ли, Джастин Б. Ингельс, Эндрю К. Симмонетт, Стивен Э. Уиллер, Яомин Се, Р. Брюс Кинг, Генри Ф. Шефер III и Ф. Альберт Коттон Химические коммуникации, 2006, 758–760 Абстрактные

[6] Тунг, Раймонд Т. «Свободные поверхности полупроводников». Бруклинский колледж.

[7] Himpsel, F .; Knapp, J .; Vanvechten, J .; Истман, Д. (1979). «Квантовое фотополю алмаза (111) - стабильный излучатель отрицательного сродства». Физический обзор B. 20 (2): 624. Bibcode:1979PhRvB..20..624H. Дои:10.1103 / PhysRevB.20.624.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]