Електронно сродство: изменение по периоди

Преди да навлезем в електронния афинитет (сродство), нека набързо преговорим йонизационната енергия. Да започнем с един неутрален литиев атом с електронна конфигурация 1s2 2s1. Един литиев атом има три протона в ядрото си, тоест заряд от +3. Два електрона в една s орбитала – ето ги двата електрона в 1s орбиталата, и един електрон в 2s орбитала. Това е най-външният ни електрон, валентният електрон. Валентният електрон бива екраниран от пълния +3 заряд в ядрото от присъствието на вътрешните електрони. Подобните заряди се отблъскват и тези вътрешни електрони отблъскват външния електрон и го екранират от пълния +3 заряд. Но все още има сила на привличане между положително зареденото ядро и този най-външен електрон. Противоположните заряди се привличат и нашият най-външен електрон все още изпитва притегляне към ядрото. Следователно, след като най-външният електрон е привлечен към ядрото, нужна е енергия, за да се издърпа този валентен електрон напълно от неутралния атом. Ако издърпаме този най-външен електрон, губим нашия валентен електрон, остава ни литиев йон с положителен заряд. +1 заряд, понеже все още имаме три протона, но електроните са само два. Тоест като цяло зарядът е +1. След като йонизацията отнема енергия, за да се премахне електрона, йонизационната енергия е положителна, измерва се в килоджаула на мол. Нека я сравним с електронния афинитет (сродство). При електронния афинитет – да кажем, че започваме с неутрален литиев атом. Но този път, вместо да премахнем един електрон, добавяме един електрон. Ще добавим един електрон към 2s орбиталата. Започнахме с три електрона в неутралния литиев атом и добавяме още един. Така че електронната конфигурация за литиевия йон ще е 1s2 2s2. Все още имаме три положителни заряда в ядрото, два електрона в 1s орбитала, но сега сме добавили един електрон, така че имаме общо 4 електрона, 2 в 2s орбиталата. Нека подчертая електрона, който добавихме, в пурпурно. Това е електронът, който добавихме към неутралния литиев атом. И този електрон, както знаем, е екраниран от пълния положителен +3 заряд на ядрото от нашите два вътрешни електрона. Еднаквите заряди се отблъскват. Той ще бъде малко отблъснат от този електрон, който е също в 2s орбиталата. Този електрон ще отблъсне и този. Но има сила на привличане между положително зареденото ядро и отрицателния заряд на електрона. Този електрон, който добавихме, все още изпитва сила на привличане, която го привлича към ядрото. И ако добавиш този четвърти електрон, енергия бива отдадена. След като е отдадена енергия, електронният афинитет ще има отрицателна стойност. За добавяне на електрон към неутрален литиев атом, оказва се, че енергията е -60 килоджаула на мол. Когато се добави електрон, енергия бива освободена. Това е, понеже електронът, който добавихме, все още може да бъде привлечен към зареденото ядро. Ако ядрото има привличане върху добавения електрон, тогава ще имаш отрицателна стойност за електронния афинитет (сродство). Или това е един начин да измерим електронния афинитет. Забележи, че литиевият анион е по-голям от неутралния литиев атом. Просто е по-трудно да представим това тук в тези диаграми. Докато добавеният електрон изпитва сила на привличане от ядрото, енергия бива отдадена. Нека разгледаме още едно сравнение между йонизационна енергия и електронен афинитет. При йонизационната енергия, след като външният електрон е привлечен към ядрото, трябва доста да се потрудим, за да премахнем този електрон. Нужна е енергия, за да премахнем този електрон. След като е нужна енергия, трябва да извършим работа, и енергията е положителна, когато става въпрос за йонизационна енергия. Но за електронния афинитет, след като електронът, който добавяме, е привлечен към положителния заряд на ядрото, не трябва да насилваме това, не трябва да извършваме работа. В този процес бива освободена енергия и това е причината електронният афинитет да е с отрицателна стойност. Не е задължително електронните афинитети (сродства) да са отрицателни. За някои атоми няма привличане за допълнителен електрон. Да вземем за пример неона. Неонът има електронна конфигурация 1s2 2s2 2p6. Има общо 2 + 2 + 6 или 10 електрона, +10 заряд на ядрото за неутрален атом неон. Да кажем, че това тук е нашето ядро с +10 заряд, 10 протона. И после тук имаме 10 електрона, които ограждат ядрото. Това е нашият неутрален атом неон. Ако опитаме да добавим един електрон, нека тук да добавим електрон. Все още имаме 10 протона в ядрото. Все още имаме 10 електрона, които ще са вътрешните ни електрони. За да добавим нов електрон, това ще е един анион неон, тоест 1s2 2s2 2p6. Запълнихме второто енергийно ниво. За да добавим електрон, трябва да добавим ново енергийно ниво. Това ще е третото енергийно ниво, това ще е s орбитала, а в тази орбитала ще има един електрон. Да кажем, че това е електронът, който току-що добавихме. Трябва да опитаме да добавим един електрон към нашия атом неон. Но ако помислиш за ефектния ядрен заряд, който този електрон в пурпурно изпитва, ефективния ядрен заряд... той е равен на атомното число или броя протони и от това изваждаш броя екраниращи електрони. След като имаме 10 протона в ядрото, това ще е 10. И екраниращите ни електрони също ще са 10. Тези 10 електрона екранират този добавен електрон от пълния +10 заряд на ядрото. И ако използваме бързото изчисление, това ни казва, че ефективният ядрен заряд е 0. Това опростява нещата, но може да сметнеш, че този външен електрон, който опитахме да добавим, не изпитва никакво привличане към ядрото. Тези 10 електрона напълно го екранират от +10 заряда. След като няма привличане за този електрон, в този процес не се освобождава енергия. Всъщност ще е нужна енергия, за да се прикрепи един електрон към неона. Ако записа нещо тук, ако кажем, че ще опитаме да... Ако опитам да добавя един електрон към неона, за да го превърнем в анион... Вместо да отдаде енергия, този процес ще използва енергия. Така че ще трябва да извършим работа, ще трябва да извършим работа, за да се случи това. Нужна е енергия, за да се прикрепи един електрон към един неутрален атом неон. И казваме, че неонът няма афинитет (сродство) за електрон. Той е нереактивен, той е благороден газ и това е един начин да обясним защо благородните газове са нереактивни. Този анион, който искахме да създадем, няма да просъществува дълго време. Нужна е енергия, за да прикрепим това към нашия неутрален атом неон. Можеш да кажеш, че електронният афинитет тук е положителен, нужна е енергия. Но не виждаш положителни стойности за електронен афинитет, за този вид ситуация. Поне повечето учебници, които съм виждал, ще кажат, че електронният афинитет на неона е 0, след като, вярвам, е трудно да се измери реалната му стойност. Тук имаме елементите от втория период на периодичната таблица и нека да разгледаме електронните им афинитети. Вече видяхме, че добавянето на електрон към неутрален атом литий отдава 60 килоджаула на мол. След това имаме берилий, чиято стойност за електронен афинитет е 0. Това означава, че е нужна енергия. Това число всъщност е положително, нужна е енергия, за да се добави електрон към един неутрален атом берилий. Ако мислиш да вземеш един неутрален атом берилий, за да създадеш един анион берилий, когато разгледаме електронните конфигурации, неутралният атом берилий е 1s2 2s2 и за да се създаде отрицателно зареден анион берилий, това ще е 1s2 2s2 и за да добавим нов електрон, той трябва да влезе в 2р орбитала, която е с по-висока енергия. Това е същото нещо или поне е много подобно, както при неона, който току-що обсъдихме. За неона електронната конфигурация беше 1s2 2s2 2p6 и за да добавим нов електрон трябваше да стигнем до третото енергийно ниво. Трябваше да отворим нов слой. И електронът, който добавихме, беше ефективно екраниран от пълния ядрен заряд от тези други електрони. И подобно нещо се случва за берилиевия анион. За да добавим този допълнителен електрон трябва да отворим р орбитала, която е с по-висока енергия. Този електрон, средно, е по-отдалечен от ядрото и е ефективно екраниран от пълния положителен заряд на ядрото и, следователно, няма афинитет за този добавен електрон. Няма афинитет за този електрон, така че е нужна енергия, за да се създаде берилиев анион. И затова за берилия виждаме тази стойност 0. Берилият няма стойност за електронен афинитет или, всъщност е много положителна стойност, и можем да кажем, че е стойност 0. Нека след това да разгледаме борона. Той отдава -27 килоджаула на мол. И можем да видим някакъв модел тук, докато преминаваме от борон към въглерод, към кислород, към флуор. Докато преминаваме през периода на периодичната таблица, повече енергия бива отдадена и, следователно, флуорът има най-голям афинитет (сродство) за електрон. Докато преминаваме през един период, получаваме увеличение на електронния афинитет. Отрицателният знак просто означава, че бива отдадена енергия, така че всъщност гледаме размера. Повече енергия бива освободена, когато добавиш един електрон към един неутрален атом флуор, отколкото ако добавиш електрон към неутрален атом кислород. И можем да обясним този цялостен модел по отношение на ефективния ядрен заряд. Докато преминаваме през нашия период, имаме увеличение на ефективния ядрен заряд. Ако добавеният електрон изпитва повече привличане към ядрото, което имаме предвид тук под увеличен ефективен ядрен заряд, повече енергия ще бъде освободена, когато добавим този електрон. Тази идея обяснява цялостния модел, който виждаме за електронния афинитет, докато преминаваш през един период, получаваме увеличение на електронния афинитет. Вече говорихме за берилия като за изключение, за неона като за изключение, но какво да кажем за азота? Виждаме, че азотът всъщност няма афинитет за електрон и ще видиш много различни стойности за този елемент, в зависимост от това кой учебник гледаш. Но ако разгледаме някои електронни конфигурации много набързо, можем да опитаме да обясним това. За азота електронната конфигурация е 1s2 2s2 2p3. Но ако нарисуваме орбиталите си, нека просто кажем, че това е 2s орбиталата, а тези са трите 2р орбитали. Просто ще се погрижим за тези електрони тук. Два електрона в 2s орбиталата, а после имаме три електрона в р орбиталата. Нека ги нарисуваме. Ако опитаме да добавим един електрон към един неутрален атом азот, добавяме един електрон към една от тези орбитали, която вече има един електрон. Добавяме един електрон към една от тези орбитали. Добавеният електрон ще бъде отблъснат от електрона, който беше тук в началото. И това е причината в учебниците обикновено да виждаш факта, че той не следва модела. Азотът няма афинитет (сродство) за един добавен електрон. След като преминахме през всичко това, очевидно е, че електронният афинитет е малко по-сложен от йонизационната енергия. При йонизационната енергия имахме доста ясен модел и беше малко по-лесно да обясним защо. При електронния афинитет, като преминаваме през един период от периодичната таблица, виждаме някакъв модел, но има много изключения за това и вероятно обясненията ни са малко твърде опростени, за да обяснят какво става. Но през един период виждаш някакъв модел. Преминаването надолу по групите е доста по-трудно. Виждаш много повече несъответствия и дори не си струва да навлизаме в цялостен модел за това.