Ái lực electron
Ái lực electron hỏi một câu rất cụ thể: năng lượng thay đổi thế nào khi một electron gắn vào nguyên tử trung hòa ở pha khí? Hút hạt nhân làm quá trình thuận lợi hơn, còn che chắn, kích thước orbital và đẩy electron–electron chống lại nó.
Định nghĩa và mô hình tuần hoàn
Định nghĩa và quy ước dấu
Quá trình gắn electron thứ nhất là X(g)+e⁻→X⁻(g). Trên Mendeleev, khi so sánh ái lực electron, năng lượng được giải phóng được ghi dương; bảng nhiệt hóa học có thể ghi cùng quá trình tỏa nhiệt bằng ΔH âm. Luôn đọc giá trị cùng quy ước dấu.
Ái lực electron là đại lượng của nguyên tử khí cô lập, khác với độ âm điện trong liên kết.
Xu hướng tuần hoàn và ngoại lệ
Qua chu kỳ, Zeff tăng thường làm gắn electron thuận lợi hơn. Xuống nhóm, orbital lớn và che chắn tăng làm hút yếu hơn. Nhóm 2, nhóm 15 và khí hiếm lệch xu hướng vì trạng thái phân lớp đặc biệt ổn định.
F và Cl
Dù F âm điện hơn, ái lực electron thứ nhất của Cl thuận lợi hơn. Electron mới ở F phải vào vùng 2p rất nhỏ, nơi lực đẩy electron–electron mạnh; vùng 3p của Cl rộng hơn nên ít chật hơn.
Từ nguyên tử cô lập đến chất rắn ion
Gắn electron thứ nhất và thứ hai
Lần gắn thứ hai X⁻(g)+e⁻→X²⁻(g) luôn bất lợi trong pha khí vì electron tới bị ion âm đẩy. Tuy vậy O²⁻ và S²⁻ ổn định trong tinh thể ion nhờ tương tác tĩnh điện mạnh với cation.
Chu trình Born–Haber và chất rắn ion
Sự tạo thành tinh thể gồm nhiều bước năng lượng: nguyên tử hóa, ion hóa, gắn electron và tạo mạng. Ái lực electron chỉ là một hạng trong cân bằng tổng; giá trị thuận lợi không tự chứng minh rằng hợp chất sẽ hình thành.
Đo lường và diễn giải
Đại lượng này cho biết và không cho biết điều gì
Nó hữu ích để so sánh nguyên tử khí nhận một electron, giải thích halogen, kiểm tra xu hướng tuần hoàn và phân tích chu trình Born–Haber; nhưng không đủ để dự đoán toàn bộ độ phản ứng, kiểu liên kết hay độ bền trong dung dịch.
Hữu ích
So sánh năng lượng gắn một electron trong pha khí và nối cấu trúc electron với một bước nhiệt hóa học.
Không đủ nếu dùng một mình
Phản ứng thật còn có đứt liên kết, solvat hóa, năng lượng mạng, cặp ion và động học.
Ái lực electron được đo như thế nào
Khó quan sát trực tiếp electron tự do gắn vào nguyên tử, nên thường dùng quá trình ngược là quang tách electron. Năng lượng photon ngưỡng để tách electron khỏi ion âm cho biết năng lượng liên kết của electron dư.
Các con số làm ngoại lệ cụ thể hơn
Cl giải phóng khoảng 3,6 eV khi nhận electron, F khoảng 3,3 eV; N kém thuận lợi hơn nhiều do 2p³ bán bão hòa, còn khí hiếm phải đưa electron mới vào lớp chính cao hơn.
Đơn vị năng lượng và thang so sánh
1 eV/hạt ≈ 96,5 kJ mol⁻¹. Vì vậy 3,6 eV của Cl tương ứng khoảng 350 kJ mol⁻¹ được giải phóng, nhưng vẫn chỉ là một phần của cân bằng năng lượng hóa học.
Cách sử dụng ái lực electron
Đọc chu kỳ 3 mà không học thuộc đường ziczac
Na 3s¹ nhận thêm electron khá thuận lợi; Mg đã 3s² nên electron mới phải vào 3p và quá trình kém thuận lợi. Al bắt đầu điền 3p nên lại thuận lợi hơn. Từ Si đến Cl, Zeff tăng nói chung hỗ trợ gắn electron, nhưng P 3p³ và S cho thấy ảnh hưởng của ghép đôi. Cl hoàn tất 3p⁶, còn Ar có vỏ kín và electron mới phải sang lớp tiếp theo.
Liên hệ với ion, oxi hóa và khử
Ái lực electron góp phần giải thích vì sao halogen dễ tạo X⁻, nhưng thế khử chuẩn là đại lượng năng lượng tự do cho một bán phản ứng đầy đủ và còn chứa solvat hóa, biến đổi liên kết và các hạng khác. Không thể suy ra trực tiếp từ ái lực electron nguyên tử.
Bài tập
F hay Cl
Nguyên tố nào có ái lực electron thứ nhất thuận lợi hơn?
Lời giải
Cl. Vùng 2p rất nhỏ của F làm electron mới chịu lực đẩy electron–electron mạnh hơn.
Nitơ
Vì sao N lệch xu hướng trơn qua chu kỳ?
Lời giải
N có phân lớp 2p³ bán bão hòa. Electron thêm vào phải ghép đôi trong một orbital p đã chiếm, làm tăng lực đẩy.
Oxide
Vì sao O²⁻ phổ biến trong tinh thể dù lần gắn electron thứ hai ở pha khí bất lợi?
Lời giải
Lực hút tĩnh điện rất mạnh giữa O²⁻ và các cation trong mạng tinh thể cung cấp độ ổn định đủ lớn để bù bước gắn thứ hai bất lợi trong pha khí.