전자친화도 | Electron Affinity

 

그림 1. 전자친화도

 

 

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전자친화도(electron affinity, EA)[그림 1]: 중성기체 상태의 원자 1몰에 전자 1몰을 첨가할 때 발생하는 에너지

cf. 이온화에너지: 중성기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1몰을 '제거'할 때 필요한 에너지

• 전자를 얻기 쉬운 비금속 원소(X)의 전자획득 정도로 기체상(g)을 기준으로 한다.
• 핵-첨가 전자 간 알짜 인력의 정도를 수치적 에너지로 나타낸 값

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화학반응식에서 전자친화도

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비금속 원소 X에 전자(e^-)를 첨가하기 위해서는 전자친화도(EA) 값만큼의 에너지가 필요하다.

• 핵-첨가 전자간 알짜인력의 척도
• 전자를 얻으면 에너지 준위가 낮아지면서 그만큼의 에너지를 방출하는데, 이는 전자친화도의 크기와 같다.
• 전자친화도가 큰 원소일수록 더욱 전자를 얻기 쉽다.

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전자친화도의 수치는 양자역학적 계산 또는 이온화 포텐셜 외삽법 등 반경험적(semi-experimental) 계산법으로 계산된다.

 

그림 2. 염소 원자(Cl)가 최대 EA값을 갖는다. [출처: Wikipedia, "Electron Affinity"]

 

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전자친화도 경향성

[그림 2]와 같이 주기와 족에 따라 특정한 경향성을 띈다.

1. 최대 전자친화도는 염소(Cl)이다.
2. 핵의 양성자 수: 핵의 양성자 개수가 많을수록 핵-원자간 전자간 인력이 커져 전자친화도가 증가한다.
3. 전자껍질의 수: 전자껍질 개수가 증가함에 따라 핵-원자간 거리가 멀어져 인력이 작아져 전자친화도가 감소한다.
4. 전자간 반발력: 오비탈 내에 전자쌍이 형성되기 시작하면 전자간의 반발력이 커지는데, 이 반발력으로 인해 외부로부터 전자가 첨가되기 힘들어 진다. 즉, 오비탈 내 전자쌍의 형성으로 전자간 반발력이 클수록 전자친화도는 감소한다.

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즉, EA는 염소를 최대값으로 같은 족에서 원자번호가 작아지고, 같은 주기에서 원자번호가 클수록 증가한다.

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전자친화도 경향성 이탈

위와 같은 경향성에 대해 예외적인 상황이 몇 가지 있는데 크게 아래와 같다.

1. 17족 원소의 전자친화도 크기
2. 같은 주기 내에서 2, 15, 18족 원소들이 EA의 경향성을 벗어난다.

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17족 원소의 전자친화도 크기

17족 원소에는 F, Cl, Br, I 등이 있으며, 이들의 전자친화도 크기는 다음과 같다.

 

 

플루오린(F)의 경우 8개의 전자가 존재하고, 공간적으로 그 부피가 매우 작아 다른 17족 원소들에 비해 전자 간의 반발력이 매우 큰 편이다. 따라서 전자친화도의 일반적인 경향성으로부터 벗어나 그 값이 염소(Cl)보다 작다.

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같은 주기 내에서 2, 15, 18족 원소들이 EA의 경향성을 벗어난다.

1. 2족은 부양자수의 변화로 인해 경향성을 벗어난다. 2족 원소의 경우, 첨가된 전자는 불안정한 2p오비탈에 배치된다.
2. 15족은 전자간 반발력 효과에 의해 경향성을 벗어난다. 15족 원소의 경우, 전자를 수용했을 때 스핀 다중도가 감소하면서 불안해진다.
3. 18족은 주양자수의 변화로 인해 경향성을 벗어난다. 특히 18족에서의 예외성이 가장 두드러진다.

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이온화에너지 Vs. 전자친화도

이온화에너지와 전자친화도는 완벽하게 정반대되는 개념으로 다음과 같이 정리할 수 있다.

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전자친화도란, 이온화에너지의 역반응이다.

• 이온화에너지: 중성 기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내는 데 필요한 에너지
• 전자친화도: 중성 기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1몰을 첨가하는 데 발생한 에너지

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이온화에너지는 고차로 갈수록 증가하나, 전자친화도는 고차로 갈수록 감소한다.

• 고차 이온화에너지는 그 값이 더욱 증가한다.

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• 고차 전자친화도는 그 값이 더욱 감소한다.

 

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가리움 효과와 유효 핵전하 등이 복합적인 요인으로 작용하여, 1차 전자친화도는 수치 상 대개 양수 부호로 표현되나, 2차 전자친화도는 원소를 가리지 않고 모두 음수 부호를 갖는다.

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전자친화도와 이온화에너지의 에너지 값 해석

1. 이온화에너지는, 핵-원자가 전자 간의 인력 수치를 에너지 값으로 나타낸 것이다.
2. 전자친화도는, 핵-첨가 전자 간의 인력 수치를 에너지 값으로 나타낸 것이다.

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중성 상태의 원자 내에 전자의 개수가 변동되면 전자간의 반발력으로 인해 중성 상태의 화학종보다 에너지 적으로 더욱 불안해진다. 특히 원자 내 에너지 수치는 전자간 반발력 요소에 크게 영향을 받으므로 모든 원소의 EA는 IA의 수치보다 훨씬 작게 나타난다. 극적인 예로 전자친화도 수치가 가장 큰 Cl의 EA보다 이온화에너지의 수치가 가장 작은 세슘(Cs)의 IE가 더욱 크다.

 

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