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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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.
