전자 친화도

정의와 주기적 패턴

정의와 부호 규약

첫 전자 첨가는 X(g)+e⁻→X⁻(g)입니다. Mendeleev에서는 비교할 때 “방출되는 에너지를 양수”로 나타내는 전자 친화도 관례를 사용합니다. 열화학 표는 같은 발열 과정을 음의 ΔH로 적을 수 있으므로 숫자는 부호 규약과 함께 읽어야 합니다.

전자 친화도는 고립된 기체 원자의 양이며 결합 중 전자밀도에 대한 인력을 나타내는 전기음성도와 다릅니다.

주기 경향과 예외

주기에서 유효 핵전하가 증가하면 대체로 전자 첨가가 더 유리해집니다. 족 아래로는 큰 궤도와 증가한 차폐가 인력을 약하게 합니다. 2족, 15족, 비활성기체는 안정한 부껍질 점유 때문에 매끈한 경향에서 벗어납니다.

F와 Cl

F의 전기음성도가 더 높지만 첫 전자 친화도는 Cl이 더 유리합니다. F의 매우 작은 2p 영역에서는 들어오는 전자가 강한 전자-전자 반발을 받지만 Cl의 더 큰 3p에는 공간 여유가 있습니다.

고립 원자에서 이온 고체로

첫 번째와 두 번째 첨가

두 번째 첨가 X⁻(g)+e⁻→X²⁻(g)는 이미 음전하인 이온에 전자를 넣기 때문에 기체상에서 항상 불리합니다. 그래도 O²⁻, S²⁻가 이온 결정에서 안정한 것은 양이온과의 강한 정전기적 격자 안정화가 더해지기 때문입니다.

Born–Haber 순환과 이온 고체

이온 고체 형성은 원자화, 이온화, 전자 첨가, 격자 형성 등 여러 에너지 단계로 나눌 수 있습니다. 전자 친화도는 그중 한 항일 뿐이며 유리한 값 하나가 화합물 형성을 보장하지 않습니다.

측정과 해석

무엇을 말하고 무엇을 말하지 않는가

고립 원자의 한 전자 수용, 할로젠 거동, 주기 경향, Born–Haber 순환 비교에는 유용하지만 전체 반응성, 결합 종류, 수용액 안정성, 선호 산화 상태를 단독으로 예측하지 못합니다.

유용함

기체상 한 전자 첨가를 비교하고 원자 전자구조를 열화학의 한 단계와 연결합니다.

그 자체로 충분하지 않음

실제 반응에는 결합 절단, 용매화, 격자 에너지, 이온쌍, 반응속도 등 추가 자유에너지 항이 있습니다.

전자 친화도는 어떻게 측정하는가

자유 전자가 원자에 붙는 것을 직접 측정하기 어렵기 때문에 역과정인 광탈착을 이용합니다. 음이온에서 빛으로 전자를 떼어 내는 문턱 광자 에너지가 여분 전자의 결합에너지를 알려 줍니다.

숫자가 예외를 구체화한다

Cl은 전자를 얻을 때 약 3.6 eV, F는 약 3.3 eV를 방출합니다. N은 반채운 2p³ 때문에 훨씬 덜 유리하고 비활성기체는 더 높은 주껍질에 전자를 넣어야 해 불리합니다. F/Cl 차이는 핵인력과 혼잡 반발의 균형입니다.

에너지 단위와 유용한 척도

1 eV/입자 ≈ 96.5 kJ mol⁻¹. Cl의 3.6 eV는 약 350 kJ mol⁻¹ 방출에 해당하지만 이온화, 결합, 용매화, 격자 형성까지 포함한 전체 에너지 수지의 한 항입니다.

전자 친화도 활용

지그재그를 외우지 않고 3주기를 읽기

Na 3s¹에 전자를 더하는 것은 어느 정도 유리하지만 Mg 3s² 뒤의 전자는 3p에 들어가야 해 덜 유리합니다. Al부터 3p 채움이 시작되어 다시 유리해지고, P 3p³에서는 새 전자가 짝을 만들어야 해 국소 변화가 생깁니다. Cl은 3p⁶을 완성해 강하게 유리하며 Ar은 닫힌 껍질이라 다음 주껍질로 가야 해 경향이 급격히 바뀝니다.

이온, 산화와 환원과의 연결

할로젠이 X⁻를 잘 만드는 이유의 일부를 설명하지만 표준 환원전위는 특정 조건의 완전한 반쪽 반응 자유에너지입니다. 용매화와 결합 변화 등을 포함하므로 원자 전자 친화도 하나로 직접 예측할 수 없습니다.

연습

F 또는 Cl

첫 전자 친화도가 더 유리한 것은?

질소

N이 매끈한 주기 경향에서 벗어나는 이유는?

산화물

두 번째 기체상 전자 첨가가 불리한데 O²⁻가 결정에서 흔한 이유는?