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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
정의기체 상태의 중성 원자가 음의 이온이 될 때 방출하는 에너지
부호EA
설명원자가 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 방출음이온 형성 시 에너지 방출
전자 친화도의 경향일반적으로 주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 커지는 경향이 있다.
하지만 예외도 존재하며, 2족 원소나 18족 원소는 전자 친화도가 매우 낮거나 음의 값을 가진다.
전자 친화도와 관련된 반도체음성 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.


3. 1. 주기율표와 전자 친화도

1주기H (73)
He (−50)2주기Li (60)Be (−50)
B (27)C (122)N (−7)O (141)F (328)Ne (−120)3주기Na (53)Mg (−40)
Al (42)Si (134)P (72)S (200)Cl (349)Ar (−96)4주기K (48)Ca (2)Sc (18)Ti (7)V (51)Cr (65)Mn (−50)Fe (15)Co (64)Ni (112)Cu (119)Zn (−60)Ga (29)Ge (119)As (78)Se (195)Br (325)Kr (−96)5주기Rb (47)Sr (5)Y (30)Zr (42)Nb (89)Mo (72)Tc (53)Ru (101)Rh (110)Pd (54)Ag (126)Cd (−70)In (37)Sn (107)Sb (101)Te (190)I (295)Xe (−80)6주기Cs (46)Ba (14)Lu (23)Hf (17)Ta (31)W (79)Re (6)Os (104)Ir (151)Pt (205)Hg (−50)Tl (31)Pb (34)Bi (91)Po (136)At (233)Rn (−70)7주기Fr (47)Ra (10)Lr (−30)RfDbSgBhHsMtDsRg (151)Cn (<0)Nh (67)Fl (<0)Mc (35)Lv (75)Ts (166)Og (8)La (54)Ce (55)Pr (11)Nd (9)Pm (12)Sm (16)Eu (11)Gd (13)Tb (13)Dy (1)Ho (33)Er (30)Tm (99)Yb (−2)Ac (34)Th (113)Pa (53)U (51)Np (46)Pu (−48)Am (10)Cm (27)Bk (−165)Cf (−97)Es (−29)Fm (34)Md (94)No (−223)


4. 분자의 전자 친화도

분자의 전자 친화도는 분자의 전자 구조에 대한 복잡한 함수이다. 예를 들어, 벤젠의 전자 친화도는 음의 값을 가지며, 나프탈렌의 경우도 마찬가지이다. 반면, 안트라센, 페난트렌 및 피렌의 경우 양의 값을 가진다. ''컴퓨터 시뮬레이션'' 실험에 따르면 헥사시아노벤젠의 전자 친화도는 풀러렌의 전자 친화도를 능가한다.[5]

5. 고체 물리학에서의 전자 친화도

밴드 다이어그램은 반도체-진공 계면의 전자 친화도 ''E''EA를 보여준다. 전자 친화도는 표면 근처의 진공 에너지 ''E''vac와 표면 근처의 전도대 가장자리 ''E''C의 차이로 정의된다. 페르미 준위 ''E''F, 가전자대 가장자리 ''E''V, 일함수 ''W''도 표시되어 있다.


고체 물리학 분야에서 전자 친화도는 화학 및 원자 물리학에서와는 다르게 정의된다. 반도체-진공 계면(즉, 반도체의 표면)의 경우, 전자 친화도는 일반적으로 ''E''EA 또는 ''χ''로 표시되며, 반도체 바로 바깥의 진공에서 반도체 내부의 전도대 하단으로 전자를 이동시켜 얻는 에너지로 정의된다.[6]

절대 영도에서 고유 반도체의 경우, 이 개념은 화학적 전자 친화도의 정의와 기능적으로 유사하다. 추가된 전자가 자발적으로 전도대 하단으로 이동하기 때문이다. 0이 아닌 온도와 다른 물질(금속, 반금속, 고농도로 도핑된 반도체)의 경우, 추가된 전자가 대신 평균적으로 페르미 준위로 이동하므로 유추가 성립하지 않는다. 고체 물질의 전자 친화도 값은 기체 상태의 동일한 물질의 원자에 대한 화학 및 원자 물리학 전자 친화도 값과 매우 다르다. 예를 들어, 실리콘 결정 표면의 전자 친화도는 4.05eV이고, 고립된 실리콘 원자의 전자 친화도는 1.39eV이다.

표면의 전자 친화도는 해당 일함수와 밀접한 관련이 있지만 다르다. 일함수는 물질에서 진공으로 가역적이고 등온적으로 전자를 제거하여 얻을 수 있는 열역학적 일이다. 이 열역학적 전자는 전도대 가장자리가 아닌 평균적으로 ''페르미 준위''로 이동한다. 반도체의 일함수는 도핑에 의해 변경될 수 있지만, 전자 친화도는 이상적으로 도핑에 따라 변하지 않으므로 물질 상수에 더 가깝다. 그러나 일함수와 마찬가지로 전자 친화도는 표면 종결(결정면, 표면 화학 등)에 따라 달라지며 엄격하게 표면 특성이다.

반도체 물리학에서 전자 친화도의 주요 사용은 반도체-진공 표면 분석이 아니라, 두 물질의 계면, 특히 금속-반도체 접합 및 반도체 이종 접합에서 발생하는 밴드 휨을 추정하기 위한 발견적 전자 친화도 규칙에 있다.

특정 상황에서 전자 친화도는 음수가 될 수 있다.[7] 음의 전자 친화도는 에너지 손실이 거의 없이 진공에 전자를 공급할 수 있는 효율적인 음극을 얻기 위해 필요하다. 바이어스 전압 또는 조명 조건과 같은 다양한 매개변수에 따른 관찰된 전자 수율은 전자 친화도가 하나의 매개변수인 밴드 다이어그램으로 이러한 구조를 설명하는 데 사용될 수 있다. 표면 종결이 전자 방출에 미치는 겉보기 효과의 한 예를 보려면 Marchywka 효과를 참조.

참조

[1] 논문 Journal of Chemical Physics
[2] 서적 Modern Physical Organic Chemistry University Science Books
[3] 서적 Chemical Principles the Quest for Insight Freeman, New York
[4] 간행물 Electron affinity
[5] 논문 Remarkable electron accepting properties of the simplest benzenoid cyanocarbons: hexacyanobenzene, octacyanonaphthalene and decacyanoanthracene https://dx.doi.org/1[...]
[6] 웹사이트 Free Surfaces of Semiconductors http://academic.broo[...]
[7] 논문 Quantum photoyield of diamond(111)—A stable negative-affinity emitter
[8] 논문 負性電子親和力ダイヤモンド半導体 https://doi.org/10.1[...] 1997-03-10
[9] 보도자료 真空を利用したパワースイッチを開発 —ダイヤモンド半導体を使うことにより世界で初めて成功 https://www.jst.go.j[...] 科学技術振興機構、産業技術総合研究所、物質・材料研究機構 2012-12-09
[10] 논문 Threshold Photodetachment of H
[11] 논문 Predicted stabilities of monatomic anions in water and liquid ammonia at 298.15 K
[12] 논문 Electron affinity of Li: A state-selective measurement
[13] 논문 Negative ion of boron: An experimental study of the 3P ground state
[14] 논문 Isotope shift of the electron affinity of carbon measured by photodetachment microscopy
[15] 문서



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