2012年10月10日 星期三

電子親和力 Electron affinity

化學原理啟迪337
1.     電子親和力是指:1個氣體原子增加1顆電子過程的能量變化
X(g)e→X(g)
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2.     許多教科書對電子親和力的定義是,電子添加到氣體原子身上所釋放的能量,依據這個定義,放能反應用正號說明;這種正負號的用法與熱力學慣用的正負號相反,比較違反習慣。
3.     這本教科書採用比較符合熱力學使用習慣的定義:電子親和力是指原子添加電子反應過程的能量改變;如果原子與電子結合的反應是散熱反應/放能反應,電子親和力就是負數,用負號「說明。
4.     下圖顯示元素符號表前20個元素的電子親和力:
5.     元素與電子結合成穩定、獨立的陰離子的反應是散熱的,因此電子親和力的能量值是負數,負的電子親和力的數值愈大,反應釋放的能量愈多。
6.     元素符號表上同一週期的元素從左到右,電子親和力的數值愈來愈負,釋放的能量愈來愈多。這是大致的趨勢,但是也有例外,同一個週期,元素的原子序愈大,電子親和力的數值愈負,這樣的倚賴關係有可能出現例外,原因是某些原子的電子組態會造成電子之間的斥力
7.     舉例來說,氮無法形成一個穩定、獨立的氮離子N(g),但是碳可形成穩定的碳離子C(g),這個現象導因於出這二種元素的電子組態不同。
8.     對一顆原子1S22s22p3增加1顆電子製造出氮離子1s22s22p4,進行這個反應時,電子必須填入已有1顆電子的2p軌域,電子填入以後,一個軌域的2顆電子會彼此產生斥力,這股電子-電子斥力會造成氮離子不穩定。
9.     如果是對一顆原子1S22S22p2增加1顆電子製造出碳離子C(g),由於每一個p軌域各只有1顆電子而已,因此這個反應的結果不會產生電子之間的斥力,製造出來的碳離子C比較穩定。
10. (電子組態1s22s22p4與氮的情況相反,氧能夠增加一顆電子,形成穩定的氧離子O(g),這是因為氧的原子核引力較強,可以解決同一個2p軌域內2個電子之間的斥力。
11. 理論上,氧的原子核正電極性強大,應該可以解決填入第2顆電子所產生的電子電子斥力,可是實際上卻行不通,我們無法放第二顆電子到氧身上製造出獨立的負二價氧離子O2O(g)e→O2(g)
12. 這個結果看起來有點奇怪,因為這世界上存在許多穩定的氧化物,像是MgOFe2O3……,這些氧化物中的氧都是負二價的氧離子O2,不是嗎?
13. 負二價氧離子O2無法單獨存在,負二價氧離子O2只在離子化合物中才能夠穩定,因為離子化合物中,帶正電的離子與帶負電的離子彼此之間的引力強大,能夠互相吸引對方,穩定彼此。
14. 元素符號表同一族的元素放在同一行,同族元素由上到下的電子親和力數值逐漸趨於正數,也就是說同一族由上到下的元素,其原子與電子結合成離子釋放出來的能量愈來愈少,為什麼?
15. 同一族元素由上而下原子核內的核子愈來愈多,外包的電子數量也愈來愈多,造成體積愈來愈大,因此增加上去的電子距離原子核愈來愈遠。
16. 以上所描述的是同族元素電子親和力的大致的趨勢,基本上,大部分的元素族群由上而下的電子親和力變化很小,而且會有許多例外。這個現象可從7A族元素觀察到。
17. 特別留意,同一族的元素由上到下各種元素的電子親和力變化幅度,比同一週期的元素由左到右各種元素的電子親和力變化小。
18. 仔細觀察7A族元素的電子親和力會發現,氯、溴、碘展現電子親和力由上而下愈來愈接近正數的趨勢,也就是隨著原子變大顆,與電子結合釋放出來的能量愈來愈小。
19. 但是電子加到氟身上所釋放的能量,違反這個趨勢的預期,比想像中的小,為什麼?這是因為電子與氟結合所要填入的2p軌域較小,小軌域空間擠2顆電子,導致電子緊緊靠近彼此,而產生較大的電子電子斥力
20. 鹵素族群的其他元素氯、溴、碘就比較大顆,電子填入的軌域較大,使得電子之間的斥力不那麼嚴重。
n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

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