Сродство к электрону

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

Х(г) + е ⁻ → Х ⁻(г) + энергия

Это отличается знаком от изменения энергии ионизации электронным захватом . ^[1] Сродство к электрону является положительным, когда при захвате электрона выделяется энергия.

В физике твердого тела сродство электрона 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 энергетические уровни будут изменены при контакте с другими атомами или молекулами.

Список сродства к электрону был использован Робертом С. Малликеном для разработки шкалы электроотрицательности атомов, равной среднему значению электронов.сродство и потенциал ионизации . ^[2]^[3] Другие теоретические концепции, использующие сродство к электрону, включают электронный химический потенциал и химическую твердость . Другой пример: молекулу или атом, которая имеет более положительное значение сродства к электрону, чем другая, часто называют акцептором электронов , а менее положительное - донором электронов . Вместе они могут вступать в реакции переноса заряда .

Соглашение о подписании

Чтобы правильно использовать сродство к электрону, важно следить за знаком. Для любой реакции, которая выделяет энергию, изменение ΔE имеет отрицательное значение, и полной энергии реакция называется экзотермическим процессом . Захват электронов почти для всех атомов неблагородных газов сопровождается выделением энергии ^[4] и, следовательно, является экзотермическим. Положительные значения, указанные в таблицах E _ea, представляют собой количества или величины. Именно слово «высвобожденная» в определении «высвобождаемая энергия» придает отрицательный знак Δ E . Путаница возникает, если ошибочно принять E _ea за изменение энергии Δ E , и в этом случае положительные значения, перечисленные в таблицах, будут относиться к эндо-, а не экзотермическому процессу. Связь между ними следующая: E _ea = −Δ E (присоединить).

Однако если значение, присвоенное E _ea , отрицательно, отрицательный знак означает изменение направления, и потребуется для присоединения электрона энергия. В этом случае захват электрона является эндотермическим процессом, и соотношение E _ea = −Δ E (присоединение) остается в силе. Отрицательные значения обычно возникают при захвате второго электрона, а также при захвате атома азота.

Обычное выражение для расчета E _ea при присоединении электрона:

E ea = (E начальный - E конечный) прикрепить = -Δ E (прикрепить)

Это выражение соответствует соглашению Δ X = X (конечный) − X (начальный), поскольку −Δ E = − ( E (конечный) − E (начальный)) = E (начальный) − E (конечный).

Аналогичным образом, сродство к электрону также можно определить как количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, в то время как он удерживает один лишний электрон , что делает атом отрицательным ионом . ^[1] т.е. изменение энергии процесса

Х ⁻ → Х + е ⁻

Если для прямой и обратной реакций применяется одна и та же таблица, без переключения знаков , необходимо позаботиться о том, чтобы применить правильное определение к соответствующему направлению, присоединению (отпусканию) или отсоединению (требованию). Поскольку почти все отсоединения (требуют +) количества энергии, указанного в таблице, эти реакции отсоединения являются эндотермическими, или Δ E (отсоединение) > 0.

E ea знак равно (E окончательный - E начальный) отсоединить = Δ E (отсоединить) = -Δ E (прикрепить)

.

Сродство элементов к электрону

Хотя E _ea сильно варьируется в зависимости от таблицы Менделеева, проявляются некоторые закономерности. Как правило, неметаллы имеют более положительный E _ea , чем металлы . Атомы, анионы которых более стабильны, чем нейтральные атомы, имеют большее E _ea . Хлор сильнее всего притягивает дополнительные электроны; неон наиболее слабо притягивает лишний электрон. Сродство благородных газов к электрону не было окончательно измерено, поэтому они могут иметь или не иметь слегка отрицательные значения.

E _ea обычно увеличивается в течение периода (строки) таблицы Менделеева 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 ни странно, E _ea не уменьшается при движении вниз по большинству столбцов таблицы Менделеева. Например, E _ea фактически постоянно увеличивается при уменьшении столбца для данных группы 2 . Таким образом, сродство к электрону следует той же тенденции «влево-вправо», что и электроотрицательность, но не в направлении «вверх-вниз».

Следующие данные указаны в кДж/моль .

Сродство к электрону в периодической таблице

Группа →

↓ Период

Н 73

Он (−50)

2

Ли 60

Быть (−50)

Б 27

С 122

Н −7

141

Ф 328

Ne (−120)

3

№ 53

Мг (-40)

Ал 42

Си 134

П 72

С 200

кл 349

С (−96)

4

К 48

Около 2

СБ 18

Ти 7

V 51

Кр 65

Мн (−50)

Фе 15

Ко 64

Девять 112

Cu 119

Цинк (−60)

Га 29

Ге 119

Как 78

Се 195

рублей 325

ДКК (−96)

5

руб. 47

старший 5

и 30

Зр 42

№ 89

Мо 72

ТК (53)

Ру (101)

Rh 110

ПД 54

Аг 126

Кд (-70)

Через 37

Сн 107

Сб 101

Те 190

я 295

Транспортное средство (−80)

6

CS 46

Ба 14

Лу 23

КВ 17

Та 31

В 79

Re 6

Ос 104

Есть 151

Пт 205

Ау 223

Ртуть (-50)

Тл 31

Пб 34

Би 91

Po (136)

В 233

Рн (−70)

7

Пт (47)

Солнце (10)

Лр (−30)

РФ

ДБ

Сг

Бх

Хс

гора

Дс

Рг (151)

Сп (<0)

Нх (67)

Фл (<0)

Мк (35)

Ур. (75)

Ц (166)

И (8)

Ла 54

Се 55

За 11

№ 9

Вечер (12)

См (16)

мне 11

Б-г (13)

Тб 13

Дом 1

В (33)

Есть (30)

Тм99 99

Ыб (−2)

И (34)

Чт (113)

Ну (53)

В (51)

Например (46)

Пу (−48)

утра (10)

См (27)

Бк (−165)

См. (−97)

Это (−29)

Фм (34)

Мэриленд (94)

Нет (-223)

Легенда

Значения указаны в кДж/моль , округлены.

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

Круглые скобки или круглые скобки() обозначают прогнозы.

Первозданный от распада. Синтетическая граница показывает естественное появление элемента.

Молекулярное сродство к электрону

Сродство молекул к электрону является сложной функцией их электронной структуры.Например, сродство к электрону бензола отрицательно, как и у нафталина , а у антрацена , фенантрена и пирена — положительное. Эксперименты in silico показывают, что сродство к электрону гексацианобензола превосходит сродство фуллерена . ^[5]

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

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 пределами полупроводника к нижней части полупроводника. зона проводимости внутри полупроводника: ^[6]

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 на дно зоны проводимости. При ненулевой температуре и для других материалов (металлов, полуметаллов, сильнолегированных полупроводников) аналогия не справедлива, поскольку добавленный электрон вместо этого перейдет на уровень Ферми в среднем . В любом случае значение сродства к электрону твердого вещества сильно отличается от значения сродства к электрону в химии и атомной физике для атома того же вещества в газовой фазе. Например, поверхность кристалла кремния имеет сродство к электрону 4,05 эВ, тогда как изолированный атом кремния имеет сродство к электрону 1,39 эВ.

Сродство поверхности к электрону тесно связано с ее работой выхода , но отличается от нее . Работа выхода — это термодинамическая работа , которую можно получить обратимым и изотермическим удалением электрона из материала в вакуум; этот термодинамический электрон в среднем переходит на уровень Ферми , а не на край зоны проводимости: $W=E_{\rm {vac}}-E_{\rm {F}}$ . Хотя работу выхода полупроводника можно изменить путем легирования , сродство к электрону в идеале не меняется при легировании и поэтому оно ближе к материальной константе. Однако, как и работа выхода, сродство к электрону зависит от окончания поверхности (грань кристалла, химический состав поверхности и т. д.) и является строго свойством поверхности.

В физике полупроводников сродство к электрону в основном используется не при анализе поверхностей полупроводник-вакуум, а скорее в эвристических правилах сродства к электрону для оценки изгиба зон , который происходит на границе раздела двух материалов, в частности переходов металл-полупроводник. и полупроводниковые гетеропереходы .

В определенных обстоятельствах сродство к электрону может стать отрицательным. ^[7] Часто отрицательное сродство к электрону желательно для получения эффективных катодов , которые могут доставлять 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. Для иллюстрации очевидного влияния поверхностного обрыва на эмиссию электронов см. рисунок 3 в «Эффекте Марчивки» .

См. также

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

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-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 г. ISBN 978-1-4292-1955-6
^ Замечательные электроноакцепторные свойства простейших бензоидных цианоуглеродов: гексацианобензола, октацианонафталина и децианоантрацена 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 .
^ Тунг, Раймонд Т. «Свободные поверхности полупроводников» . Бруклинский колледж .
^ Химпсель, Ф.; Кнапп, Дж.; Ванвечтен, Дж.; Истман, Д. (1979). «Квантовый фотовыход алмаза (111) — стабильный эмиттер с отрицательным сродством». Физический обзор B . 20 (2): 624. Бибкод : 1979PhRvB..20..624H . дои : 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 . стр. 348–349.

Внешние ссылки

Сродство к электрону , определение из ИЮПАК. Золотой книги

[Compendiumof-1] Jump up to: ^а ^б ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-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 г. ISBN 978-1-4292-1955-6

[5] Замечательные электроноакцепторные свойства простейших бензоидных цианоуглеродов: гексацианобензола, октацианонафталина и децианоантрацена 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 .

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

[7] Химпсель, Ф.; Кнапп, Дж.; Ванвечтен, Дж.; Истман, Д. (1979). «Квантовый фотовыход алмаза (111) — стабильный эмиттер с отрицательным сродством». Физический обзор B . 20 (2): 624. Бибкод : 1979PhRvB..20..624H . дои : 10.1103/PhysRevB.20.624 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]