Сродство к электрону - Electron affinity

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 .

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, 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

Это свойство используется для измерения атомов и молекул только в газообразном состоянии, поскольку в твердом или жидком состоянии их энергетические уровни могут изменяться 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 . 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 претерпевать реакции с переносом заряда .

Подписать соглашение

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 включает выделение энергии и, следовательно, 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 E ea ошибочно принимают за изменение 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 (прикрепить) 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 начальная  -  E конечная ) 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 можно определить как количество энергии, необходимое для отделения электрона от атома, когда он удерживает единственный избыточный электрон, что делает атом отрицательным ионом , 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

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 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 .

Молекулярное сродство к электрону

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 сродство фуллерена .

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

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:

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, и поэтому оно ближе к материальной константе. Однако, как и работа выхода, сродство к электрону действительно зависит от поверхностной границы (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 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. 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 зонными диаграммами, 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» .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки