Elektronová afinita - Electron affinity

Elektronová afinita ( E ea ) z atomu nebo molekula je definována jako množství energie uvolněné když elektron je připojen k neutrální atomu nebo molekuly v plynném stavu za vzniku negativní ion .

X (g) + e - → X - (g) + energie

Všimněte si, že to není totéž jako entalpická změna ionizace iontového záchytu , která je při uvolňování energie definována jako negativní. Jinými slovy, změna entalpie a elektronová afinita se liší záporným znaménkem.

Ve fyzice pevných látek je elektronová afinita k povrchu definována poněkud odlišně ( viz níže ).

Měření a použití elektronové afinity

Tato vlastnost se používá k měření atomů a molekul pouze v plynném stavu, protože v pevném nebo kapalném stavu by se jejich energetické hladiny změnily kontaktem s jinými atomy nebo molekulami.

Robert S. Mulliken použil seznam elektronových afinit k vytvoření škály elektronegativity pro atomy, která se rovná průměru afinity elektronů a ionizačního potenciálu . Mezi další teoretické koncepty, které používají elektronovou afinitu, patří elektronický chemický potenciál a chemická tvrdost . Jiný příklad, molekula nebo atom, který má kladnější hodnotu afinity elektronů než jiný, se často nazývá akceptor elektronů a méně pozitivní donor elektronů . Společně mohou podstoupit reakce přenosu náboje .

Znamení konvence

Chcete -li správně používat elektronové afinity, je důležité sledovat značku. Pro každou reakci, která uvolňuje energii, má změna Δ E v celkové energii zápornou hodnotu a reakce se nazývá exotermický proces . Elektronové zachycování téměř všech vzácných atomů plynu zahrnuje uvolňování energie, a proto jsou exotermické. Kladné hodnoty, které jsou uvedeny v tabulkách E ea, jsou množství nebo veličiny. Jedná se o slovo „povolený“ v definici „energie uvolněné“, která dodává záporné znaménko na delta E . K záměně dochází záměnou E ea za změnu energie, Δ E , v takovém případě by kladné hodnoty uvedené v tabulkách byly pro endo-ne exo-termický proces. Vztah mezi těmito dvěma je E ea = −Δ E (připojit).

Pokud je však hodnota přiřazená E ea záporná, znamená záporné znaménko obrácení směru a k připojení elektronu je zapotřebí energie . V tomto případě je zachycení elektronu endotermickým procesem a vztah E ea = −Δ E (připojit) stále platí. Záporné hodnoty obvykle vznikají pro zachycení druhého elektronu, ale také pro atom dusíku.

Obvyklý výraz pro výpočet E ea, když je připojen elektron, je

E ea = ( E počáteční  -  E konečný ) připojit = −Δ E (připojit)

Tento výraz se řídí konvencí Δ X = X (konečný) - X (počáteční), protože −Δ E = - ( E (konečný) - E (počáteční)) = E (počáteční) - E (konečný).

Ekvivalentně může být elektronová afinita také definována jako množství energie potřebné k oddělení elektronu od atomu, zatímco drží jeden přebytečný elektron, čímž se atom stává záporným iontem , tj. Energetickou změnou procesu

X - → X + e -

Pokud je pro reakce vpřed a vzad použita stejná tabulka, bez přepínacích značek , je třeba dbát na správnou definici pro odpovídající směr, připojení (uvolnění) nebo odpojení (vyžadovat). Protože téměř všechny odloučení (vyžadují +) množství energie uvedené v tabulce, jsou tyto oddělovací reakce endotermické nebo Δ E (oddělit)> 0.

E ea = ( E konečný - E počáteční ) odpojit = Δ E (odpojit) = −Δ E (připojit) .

Elektronová afinita prvků

Elektronová afinita ( E ea ) vs. atomové číslo ( Z ). Všimněte si vysvětlení konvence znaménka v předchozí části.
Hlavní článek: Elektronová afinita (datová stránka)

Přestože se E ea v periodické tabulce velmi liší, objevují se některé vzorce. Obecně platí, nekovy mají pozitivnější E ea než kovy . Atomy, jejichž anionty jsou stabilnější než neutrální atomy, mají větší E ea . Chlor nejsilněji přitahuje další elektrony; neon nejslabší přitahuje elektron navíc. Elektronová afinita vzácných plynů nebyla přesvědčivě změřena, takže mohou, ale nemusí mít mírně záporné hodnoty.

E ea se obecně zvyšuje napříč periodou (řadou) v periodické tabulce před dosažením skupiny 18. To je způsobeno vyplněním valenčního obalu atomu; skupina 17 atom uvolňuje více energie, než je skupina 1 atomu na získání elektron, protože se získá naplněný valenční skořápku , a proto je stabilnější. Ve skupině 18 je valenční obal plný, což znamená, že přidané elektrony jsou nestabilní a mají tendenci být velmi rychle vysunuty.

Counterintuitively, E ea to není snížit, když postupuje dolů po řádcích periodické tabulky, jak je jasně vidět na skupině 2 dat. Elektronová afinita tedy sleduje stejný trend „vlevo-vpravo“ jako elektronegativita, nikoli však trend „nahoru-dolů“.

Následující údaje jsou uvedeny v kJ/mol .

Molekulární elektronové afinity

Elektronová afinita molekul je komplikovanou funkcí jejich elektronické struktury. Například elektronová afinita k benzenu je negativní, stejně jako naftalen , zatímco antracen , fenanthren a pyren jsou pozitivní. In silico experimenty ukazují, že elektronová afinita hexacyanobenzenu převyšuje afinitu fullerenu .

„Elektronová afinita“, jak je definována ve fyzice pevných látek

Pásové schéma polovodičového vakuum rozhraní ukazuje elektronové afinity E EA , definovaný jako rozdíl mezi v blízkosti povrchové energie vakua E vakuu , a u povrchově vodivostního pásu hrany E C . Také je ukázáno: hladina Fermiho E F , skupiny valence okraj E V , výstupní práce W .

V oblasti fyziky pevných látek je elektronová afinita definována odlišně než v chemii a atomové fyzice. Pro rozhraní polovodič-vakuum (tj. Povrch polovodiče) je elektronová afinita, typicky označovaná E EA nebo χ , definována jako energie získaná pohybem elektronu z vakua těsně mimo polovodič na dno pásmo vedení přímo uvnitř polovodiče:

Ve vnitřním polovodiči při absolutní nule je tento koncept funkčně analogický s chemickou definicí elektronové afinity, protože přidaný elektron spontánně přejde na konec vodivého pásma. Při nenulové teplotě a pro jiné materiály (kovy, semimetaly, silně dopované polovodiče) analogie neplatí, protože přidaný elektron místo toho v průměru přejde na úroveň Fermi . V každém případě je hodnota elektronové afinity pevné látky velmi odlišná od hodnoty elektronové afinity pro chemii a atomovou fyziku pro atom stejné látky v plynné fázi. Například povrch krystalu křemíku má elektronovou afinitu 4,05 eV, zatímco izolovaný atom křemíku má elektronovou afinitu 1,39 eV.

Elektronová afinita povrchu úzce souvisí s jeho pracovní funkcí , ale je od ní odlišná . Pracovní funkce je termodynamická práce, kterou lze získat reverzibilním a izotermickým odstraněním elektronu z materiálu do vakua; Tato termodynamická elektron jde do Fermiho v průměru, ne pásovým okrajem vedení: . Zatímco pracovní funkci polovodiče lze měnit dopingem , elektronová afinita se v ideálním případě nemění dopingem, a je tedy blíže tomu, být materiální konstantou. Nicméně, stejně jako pracovní funkce, elektronová afinita závisí na povrchovém zakončení (krystalová plocha, povrchová chemie atd.) A je čistě povrchovou vlastností.

V polovodičové fyzice není primární použití elektronové afinity ve skutečnosti při analýze povrchů polovodič - vakuum, ale spíše v heuristických pravidlech afinity elektronů pro odhad ohybu pásma , ke kterému dochází na rozhraní dvou materiálů, zejména spojení kov – polovodič a polovodičové heterojunkce .

Za určitých okolností může být elektronová afinita negativní. K získání účinných katod je často požadována negativní afinita k elektronům, která dokáže dodávat elektrony do vakua s malou ztrátou energie. Pozorovaný elektronový výtěžek v závislosti na různých parametrech, jako je předpětí nebo světelné podmínky, lze použít k popisu těchto struktur pomocí pásmových diagramů, ve kterých je elektronová afinita jedním parametrem. Jednu ilustraci zjevného účinku povrchového zakončení na emise elektronů naleznete na obrázku 3 v Marchywkově jevu .

Viz také

Reference

externí odkazy