전자 친화도
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1. 개요
전자 친화도는 기체 상태의 원자 또는 분자가 전자를 받아 음이온이 될 때 방출하는 에너지의 양을 나타낸다. 로버트 S. 멀리켄은 전자 친화도를 사용하여 전기음성도 척도를 개발했으며, 전자 친화도는 화학적 경도 및 전자 화학 포텐셜과 같은 이론적 개념과 관련이 있다. 전자 친화도는 주기율표에서 비금속이 금속보다 더 큰 값을 가지며, 염소가 가장 큰 값을, 네온이 가장 작은 값을 갖는 경향을 보인다. 고체 물리학에서는 반도체 표면의 전자 친화도를 정의하며, 물질의 일함수와 밀접하게 관련되어 있다.
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전자 친화도 | |
---|---|
개요 | |
정의 | 기체 상태의 중성 원자가 음의 이온이 될 때 방출하는 에너지 |
부호 | EA |
설명 | 원자가 전자를 얻어 음이온이 될 때 에너지 변화가 발생하는데, 이 에너지가 방출되면 전자 친화도는 양수 값을 가진다. 반대로 에너지를 흡수해야 음이온이 될 수 있다면 전자 친화도는 음수 값을 가진다. 전자 친화도는 원소의 주기적 성질 중 하나이며, 할로젠 원소들이 큰 전자 친화도를 가진다. 이는 할로젠 원소들이 전자를 하나 얻어 안정한 전자 배치를 이루려는 경향이 크기 때문이다. |
상세 내용 | |
에너지 방출 | 음이온 형성 시 에너지 방출 |
전자 친화도의 경향 | 일반적으로 주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 커지는 경향이 있다. 하지만 예외도 존재하며, 2족 원소나 18족 원소는 전자 친화도가 매우 낮거나 음의 값을 가진다. |
전자 친화도와 관련된 반도체 | 음성 전자 친화력 다이아몬드 반도체 진공을 이용한 파워 스위치 개발 (다이아몬드 반도체 사용, 세계 최초 성공) |
2. 전자 친화도의 측정 및 활용
전자 친화도는 기체 상태의 원자와 분자만을 측정하는 데 사용된다. 고체나 액체 상태에서는 다른 원자나 분자와 접촉하여 에너지 준위가 변하기 때문이다.
로버트 S. 멀리켄은 전자 친화도와 이온화 에너지의 평균값을 이용하여 원자의 전기음성도 척도를 개발했다.[1][2] 전자 친화도는 전자 화학 포텐셜, 화학적 경도 등 다른 이론적 개념에도 사용된다. 전자 친화도 값에 따라 분자나 원자를 전자 수용체나 전자 공여체로 분류하며, 이들은 전하 이동 반응을 겪을 수 있다.
2. 1. 부호 규칙
전자 친화도를 올바르게 사용하려면 부호에 주의해야 한다. 에너지를 '방출'하는 반응은 Δ''E'' (총 에너지 변화)가 음수 값을 가지며, 이를 발열 반응이라고 한다. 거의 모든 비-비활성 기체 원자에 전자가 추가되면 에너지가 방출되므로[3] 발열 과정에 해당한다. ''E''ea 값은 양수 또는 그 크기를 나타낸다. "방출된 에너지" 정의에서 "방출"은 Δ''E''에 음수 부호를 부여한다. ''E''ea를 에너지 변화 Δ''E''로 오해하면 혼란이 발생할 수 있는데, 이 경우 표에 있는 양수 값은 흡열 과정에 해당한다. ''E''ea와 Δ''E''(부착)의 관계는 ''E''ea = −Δ''E''(부착)이다.만약 ''E''ea 값이 음수이면, 음의 부호는 방향이 반대임을 의미하며, 전자를 붙이는데 에너지가 '필요'하다는 것을 나타낸다. 이 경우 전자 포획은 흡열 반응이며, ''E''ea = −Δ''E''(부착) 관계는 여전히 유효하다. 음수 값은 일반적으로 두 번째 전자를 포획할 때 발생하지만, 질소 원자에서도 나타난다.
전자가 부착될 때 ''E''ea를 계산하는 일반적인 식은 다음과 같다.
:''E''ea = (''E''초기 − ''E''최종)부착 = −Δ''E''(부착)
이 식은 −Δ''E'' = −(''E''(최종) − ''E''(초기)) = ''E''(초기) − ''E''(최종)이므로, Δ''X'' = ''X''(최종) − ''X''(초기)라는 규칙을 따른다.
전자 친화도는 원자가 단일 과잉 전자를 가질 때 원자에서 전자를 제거하는 데 '필요한' 에너지의 양으로도 정의할 수 있으며, 이로 인해 원자는 음이온이 된다.[4] 즉, 다음 과정에 대한 에너지 변화이다.
:X− → X + e−
정반응과 역반응에 대해 동일한 표를 사용하고 부호를 바꾸지 않는 경우, 해당 방향(부착 또는 분리)에 맞는 정의를 적용해야 한다. 거의 모든 분리 반응은 표에 나열된 에너지의 양을 ''(필요 +)''로 하므로, 이러한 분리 반응은 흡열 반응이거나 Δ''E''(분리) > 0이다.
:''E''ea = (''E''최종 − ''E''초기)분리 = Δ''E''(분리) = −Δ''E''(부착)
3. 원소의 전자 친화도
전자 친화도는 기체 상태의 원자나 분자에서만 측정된다. 이는 고체나 액체 상태에서는 다른 원자나 분자와의 접촉으로 인해 에너지 준위가 변하기 때문이다.[1]
로버트 S. 멀리켄은 전자 친화도 목록을 사용하여 원자에 대한 전기음성도 척도를 개발했는데, 이는 전자 친화도와 이온화 에너지의 평균값이다.[2] 전자 친화도를 사용하는 다른 이론적 개념으로는 전자 화학 포텐셜과 화학적 경도가 있다. 다른 분자보다 더 양의 전자 친화도 값을 가진 분자 또는 원자를 전자 수용체, 덜 양의 값을 가진 분자를 전자 공여체라고 부르며, 이들은 함께 전하 이동 반응을 겪을 수 있다.
다음은 원소별 전자 친화도(kJ/mol)를 나타낸 표이다.
전자 친화도(kJ/mol) | 출처 | |
---|---|---|
수소 | 72.8 | [10] |
헬륨 | -48 | [11] |
리튬 | 59.6326 | [12] |
베릴륨 | -50 | [11] |
붕소 | 26.989 | [13] |
탄소 | 121.78 | [14] |
질소 | -0.07 | [11] |
산소 | 141 | |
플루오린 | 328 | |
네온 | -116 | |
나트륨 | 53 | |
마그네슘 | <0 | |
알루미늄 | 43 | |
규소 | 134 | |
인 | 72 | |
황 | 200 | |
염소 | 349 | |
아르곤 | -96 | |
칼륨 | 48 | |
칼슘 | 2 | |
스칸듐 | 18 | |
티타늄 | 8 | |
바나듐 | 51 | |
크롬 | 64 | |
망가니즈 | < 0 | |
철 | 15 | |
코발트 | 64 | |
니켈 | 112 | |
구리 | 119 | |
아연 | < 0 | |
갈륨 | 41 | |
게르마늄 | 119 | |
비소 | 79 | |
셀레늄 | 195 | |
브로민 | 324 | |
크립톤 | -96 | |
루비듐 | 47 | |
스트론튬 | 5 | |
이트륨 | 30 | |
지르코늄 | 41 | |
니오브 | 86 | |
몰리브데넘 | 72 | |
테크네튬 | 53 | |
루테늄 | 101 | |
로듐 | 110 | |
팔라듐 | 54 | |
은 | 126 | |
카드뮴 | < 0 | |
인듐 | 39 | |
주석 | 107 | |
안티몬 | 101 | |
텔루륨 | 190 | |
요오드 | 295 | |
제논 | -77 | |
세슘 | 46 | |
바륨 | 14 | |
란타넘 | 48 | |
세륨 | 92 | |
프라세오디뮴부터 에르븀까지 | ||
툴륨 | 99 | |
이터븀 | ||
루테튬 | 33 | |
하프늄 | 2 | |
탄탈럼 | 31 | |
텅스텐 | 79 | |
레늄 | 14 | |
오스뮴 | 104 | |
이리듐 | 150 | |
백금 | 205 | |
금 | 223 | |
수은 | < 0 | |
탈륨 | 36 | |
납 | 35 | |
비스무트 | 91 | |
폴로늄 | 183 | |
아스타틴 | 270 | |
라돈 | < 0 | |
프랑슘 | 47 | |
라듐 | 10 | |
악티늄 | 34 | |
토륨부터 오가네손 |