Электронное сродство

Сродство к электрону ( Е _еа ) из атома или молекулы определяется как количество энергии , выпущенной , когда электрон присоединен к нейтральной атома или молекулы в газообразном состоянии с образованием отрицательных ионов. ^[1]

X (g) + e ^- → X ^- (g) + энергия

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

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

Измерение и использование сродства к электрону [ править ]

Это свойство используется для измерения атомов и молекул только в газообразном состоянии, поскольку в твердом или жидком состоянии их энергетические уровни 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 значению сродства электронов и потенциала ионизации . ^[2]^[3] 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 вступать в реакции с переносом заряда .

Соглашение о подписи [ править ]

Чтобы правильно использовать сродство к электрону, важно отслеживать знак. Для любой реакции, которая высвобождает энергию, изменение Δ E в общей энергии имеет отрицательное значение, и реакция называется экзотермическим процессом . Захват электронов почти для всех атомов неблагородных газов связан с выделением энергии ^[4] и, таким образом, является экзотермическим. Положительные значения, перечисленные в таблицах E _ea, представляют собой суммы или величины. Это слово «выпустили» в определение «энергии , выделяемой» , что поставки отрицательный знак на Д Е . Возникает путаница, когда ошибаюсь E _eaдля изменения энергии Δ E , и в этом случае положительные значения, перечисленные в таблицах, относятся к эндо-не экзотермическому процессу. Связь между ними - E _ea = −Δ E (прикрепить).

Однако, если значение, присвоенное E _ea , отрицательное, отрицательный знак означает изменение направления, и для присоединения электрона требуется энергия . В этом случае захват электронов является эндотермическим процессом, и соотношение E _ea = −Δ E (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:

E ea = (E начальное - E окончательное) attach = -Δ E (прикрепить)

Это выражение соответствует условию Δ X = X (окончательный) - X (начальный), поскольку −Δ E = - ( E (конечный) - E (начальный)) = E (начальный) - E (конечный).

Эквивалентно, сродство к электрону , также может быть определена как количество энергии требуется , чтобы оторвать электрон от атома , пока он держит одну избыток электронов , таким образом , делая атом А отрицательный ион , ^[1] то есть изменение энергии для процесса

Х ^- → Х + е ^-

Если для прямых и обратных реакций используется одна и та же таблица без знаков переключения , необходимо соблюдать осторожность, чтобы применить правильное определение к соответствующему направлению, присоединению (освобождению) или отсоединению (требуется). Поскольку почти все отделения (требуют +) количества энергии, указанного в таблице, эти реакции отделения являются эндотермическими, или Δ E (отсоединение)> 0.

E ea = (E final - E начальное) detach = Δ E (отсоединить) = -Δ E (прикрепить)

.

Электронное сродство элементов [ править ]

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, проявляются некоторые закономерности. Как правило, неметаллы имеют более положительное 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.

E _ea обычно увеличивается через период (строку) в периодической таблице до достижения группы 18. Это вызвано заполнением валентной оболочки атома; группа 17 атомов выбросы больше энергии , чем в группу 1 атом на получение электрона , поскольку он получает заполненную валентную оболочку и , следовательно , является более стабильной. В группе 18 валентная оболочка заполнена, а это означает, что добавленные электроны нестабильны и имеют тенденцию очень быстро выбрасываться.

Парадоксально, Е _еа вовсе не уменьшается , когда продвигается вниз по строкам таблицы Менделеева, так как можно ясно видеть в группе 2 данных. 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 .

Группа →

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

↓ Период

1

ЧАС 73

Он(-50)

2

Ли60

Быть(-50)

B 27

C 122

N −7

О 141

F 328

Ne(-120)

3

Na53

Mg(-40)

Al42

Si134

п 72

S 200

Cl349

Ar(-96)

4

K 48

Ca2

Sc18

Ti7

V 51

Cr65

Mn(-50)

Fe15

Co64

Ni112

Cu119

Zn(-60)

Ga29

Ge119

В качестве78

Se195

Br325

Kr(-60)

5

Руб.47

Sr5

Y 30

Zr42

Nb89

Пн72

Tc(53)

RU(101)

Rh110

Pd54

Ag126

CD(-70)

В37

Sn107

Sb101

Te190

я 295

Xe(-80)

6

CS46

Ба14

Лу23

Hf17

Та31 год

W 79

Re6

Операционные системы104

Ir151

Pt205

Au223

Hg(-50)

Tl31 год

Pb34

Би91

По(136)

В233

Rn(-70)

7

Пт(47)

Ра(10)

Lr(-30)

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg(151)

Cn(<0)

Nh(67)

Fl(<0)

Mc(35)

Lv(75)

Ц(212)

Og(5)

Ла54

Ce55

Pr11

Nd9

Вечера(12)

См(16)

Европа11

Б-г(13)

Tb13

Dy(> 34)

Хо(33)

Э(30)

Тм99

Yb(−2)

Ac(34)

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)

Легенда

Значения в кДж / моль , округлены.

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

Круглые скобки обозначают прогнозы

Изначальный От распада Синтетический Граница показывает естественное появление элемента

Цвет фона показывает категорию:

s-блок

f-блок

d-блок

p-блок

Молекулярное сродство к электрону [ править ]

Электронное сродство молекул - сложная функция их электронной структуры. Например, сродство к электрону к бензолу отрицательно, как и к нафталину , в то время как сродство антрацена , фенантрена и пирена положительно. Эксперименты in silico показывают, что гексацианобензол сродство к электрону превосходит фуллерен . ^[5]

«Сродство к электрону», как определено в физике твердого тела [ править ]

Полоса - схема полупроводникового-вакуум , показывающее сродство к электрону E _EA , определяемый как разница между приповерхностным вакуумной энергией E _ВПТОМ и вблизи поверхностью зоной проводимости кромкой E _C . Кроме того, показано: уровень Ферми Е _Р , валентной зоны кромки Е _В , работа Вт .

В области физики 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 E _EA или χ , определяется как энергия, полученная при перемещении электрона из вакуума сразу за пределы полупроводника в нижнюю часть полупроводника. зона проводимости внутри полупроводника: ^[6]

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

В собственном полупроводнике при абсолютном нуле эта концепция функционально аналогична химическому определению сродства к электрону, поскольку добавленный электрон самопроизвольно переходит к дну зоны проводимости. При ненулевой температуре и для других материалов (металлов, полуметаллов, сильно легированных полупроводников) аналогия не выполняется, поскольку добавленный электрон вместо этого в среднем переходит 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; это термодинамический электрон переходит к уровню Ферми в среднем, а не края зоны проводимости: . В то время как работа выхода полупроводника может быть изменена путем легирования , 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. ${\ displaystyle W = E _ {\ rm {vac}} - E _ {\ rm {F}}}$

В физике полупроводников основное использование сродства к электрону на самом деле не в анализе поверхностей полупроводник-вакуум, а скорее в правилах эвристического сродства к электрону для оценки изгиба зон, который происходит на границе раздела двух материалов, в частности переходов металл-полупроводник. и полупроводниковые гетеропереходы .

При определенных обстоятельствах сродство к электрону может стать отрицательным. ^[7] 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 зонных диаграмм, в которых сродство к электрону является одним из параметров. В качестве одной из иллюстраций очевидного эффекта поверхностного обрыва на эмиссию электронов см. Рисунок 3 в « Эффекте Маркивки» .

См. Также [ править ]

Энергия ионизации - тесно связанное понятие, описывающее энергию, необходимую для удаления электрона из нейтрального атома или молекулы.
Одноэлектронное восстановление
Электронно-захватная масс-спектрометрия
Электроотрицательность
валентный электрон
Уровень вакуума
Донор электронов

Ссылки [ править ]

^ a b ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Сродство к электрону ». DOI : 10,1351 / goldbook.E01977
^ Роберт С. Малликен, Журнал химической физики , 1934 , 2 , 782.
^ Современная физическая органическая химия, Эрик В. Анслин и Деннис А. Догерти, University Science Books, 2006, ISBN 978-1-891389-31-3
^ Химические принципы в поисках понимания, Питер Аткинс и Лоретта Джонс, Фриман, Нью-Йорк, 2010 ISBN 978-1-4292-1955-6
^ Замечательные электроноакцепторные свойства простейших бензоидных цианоуглеродов: гексацианобензол, октацианонафталин и декацианоантрацен 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 Резюме.
^ Тунг, Раймонд Т. "Свободные поверхности полупроводников" . Бруклинский колледж .
^ Himpsel, F .; Knapp, J .; Vanvechten, J .; Истман, Д. (1979). «Квантовое фотополю алмаза (111) - стабильный излучатель отрицательного сродства». Physical Review B . 20 (2): 624. Bibcode : 1979PhRvB..20..624H . DOI : 10.1103 / PhysRevB.20.624 .

Тро, Нивалдо Дж. (2008). Химия: молекулярный подход (2-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл . ISBN 0-13-100065-9 . С. 348–349.

Внешние ссылки [ править ]

Сродство к электрону , определение из Золотой книги ИЮПАК

[Compendiumof-1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Сродство к электрону ». DOI : 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 ISBN 978-1-4292-1955-6

[5] Замечательные электроноакцепторные свойства простейших бензоидных цианоуглеродов: гексацианобензол, октацианонафталин и декацианоантрацен 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 Резюме.

[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». Physical Review B . 20 (2): 624. Bibcode : 1979PhRvB..20..624H . DOI : 10.1103 / PhysRevB.20.624 .

[1]