[G. Chem] 17. 전자친화도(Electron Affinity)

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전자친화도(electron affinity): 중성기체 상태의 원자 1몰에 전자 1몰을 첨가할 때 발생하는 에너지

- 전자를 얻기 쉬운 비금속원소(X)의 전자획득정도로 이온화에너지와 마찬가지로 '기체상'을 기준으로 한다.

- 핵-첨가 전자 간 알짜 인력의 정도를 수치적 에너지로 나타낸 값

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Chemical Equation of Electron Affinity

- 해석: 핵-첨가 전자 간 알짜인력의 척도

- EA는 EA>0의 관계식을 갖는다.

- 엔탈피 변화량 ΔH은, 그러나, 0보다 작은 값이다. ⇒ 두 가지 관계식은 서로 부호가 다르다.

electron affinity는 양자역학적 계산 혹은 이온화 포텐셜 외삽법 등의 반경험적(semi-experimental) 계산법으로 계산된다.

그림 1. 염소(Cl) 원자가 최대값의 EA 수치를 갖는다.

전자친화도의 경향성

전자친화도의 영향인자

1. 핵의 양성자 수: 양성자수가 많을수록 핵-원자가 전자간 인력이 커져 전자친화도가 증가한다.

2. 전자껍질: 전자껍질수의 증가로 핵-원자가 전자 간 거리가 멀수록 인력이 작아져 전자친화도가 감소한다.

3. 전자 간 반발력: 오비탈 내에 전자쌍이 형성되기 시작하면 전자 간 반발력이 커지는데, 이 반발력으로 인해 외부 전자가 첨가되기 힘들어 진다. ⇒ 오비탈 내 전자쌍 형성으로 전자 간 반발력이 클수록 EA 값은 작아진다.

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그림 2. 전자친화도의 경향

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※주기율표 상에서 전자친화도의 경향성

같은 족에서는 원자번호가 작아질수록 전자친화도가 커지는 반면, 같은 주기에서는 원자번호가 클수록 전자친화도가 증가한다.

- 염소 원자에서 최대 EA 값을 갖는다. cf. 헬륨 원자에서 최대 이온화에너지 값을 갖는다.

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전자친화도의 경향성 이탈

1. 2주기 원소의 전자친화도 크기 비교

- F의 경우, 8개의 전자가 존재하기에 공간적으로 부피가 매우 작아 다른 17족 원소들에 비해 전자 간 반발력이 매우 큰 편이다. 따라서 전자친화도가 일반적인 경향성에서 벗어나 그 값이 작아진다.

- 모든 원소를 통틀어, Cl의 1차 전자 친화도가 가장 크다.

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

- 2족은 부양자수의 변화로 인해 경향성을 벗어난다. ⇒ 2족 원소의 경우, 첨가된 전자는 불안정한 2p 오비탈에 배치된다. e.g. Be

- 15족은 전자 간 반발력 효과로 인해 경향을 벗어난다. ⇒ 15족 원소의 경우, 전자를 수용했을 때 스핀 다중도가 감소하면서 불안해진다.

- 18족은 주양자수의 변화로 인해 경향성을 벗어난다. 특히, 18족에서의 예외성이 가장 두드러진다.

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IE Vs. EA

1. IE에 관한 반응의 역반응은 EA에 관한 반응이다.

두 식에서 정반응의 E는 이온화에너지, 역반응의 E는 전자친화도이다.

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- -1차 이온화에너지는 1차 전자친화도이다.

- -1차 전자친화도는 1차 이온화에너지이다.

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2. 이온화에너지는 고차로 갈수록 증가하나, 전자친화도는 고차로 갈수록 감소한다.

- 고차 이온화에너지

(1) 가리움 효과의 감소로 인해 IE는 더욱 증가한다.

(2) 전자껍질수의 감소로 인해 IE는 더욱 증가한다.

- 고차 전자친화도

(1) 가리움 효과의 증가로 인해 EA는 더욱 감소한다.

(2) 전자껍질수의 증가로 인해 EA는 더욱 감소한다.

(3) 1차 전자친화도는 수치 상 대개 양수 부호로 표현되나, 2차 전자친화도는 원소를 가리지 않고 모두 음수(부호)로 표현된다.

3. 이온화에너지와 전자친화도의 에너지 값 해석

(1) 이온화에너지는 중성상태의 기체 원자 내 핵-원자가 전자 간의 인력 수치를 에너지 값으로 나타낸 것이다.

(2) 전자친화도는 중성상태의 기체 원자 내 핵-첨가 전자 간 인력 수치를 에너지 값으로 나타낸 것이다.

- 중성상태의 원자 내에 전자의 수가 변동되면, 전자 간의 반발력 변화로 인해 중성 상태의 화학종보다 에너지 적으로 더 불안해진다.

- 특히, 원자 내 에너지 수치는 전자 간 반발력에 크게 영향을 받으므로 모든 원소들의 EA는 IE 수치보다 훨씬 작게 나타난다.

- 전자친화도 수치가 가장 큰 Cl(염소)의 EA보다 이온화에너지 수치가 가장 작은 Cs(세슘)의 IE가 더 큰 값이다.

- 모든 원소의 1차 이온화 에너지가 절대값을 취한 1차 전자 친화도보다 최소 2배에서 20배 이상까지 크다.

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