Hogyan változik az elektronaffinitás a periódusokban?

Mielőtt az elektronaffinitást tárgyalnánk, röviden ismételjük át az ionizációs energiáról tanultakat. Induljunk ki egy semleges lítiumatomból, amelynek elektronkonfigurációja 1s2 2s1. A lítiumatom magjában 3 proton van, ami három pozitív töltést jelent. Két elektron van az 1s alhéjon, tehát itt a két elektron az 1s alhéjon, ezek az atomtörzs elektronjai, valamint egy elektron a 2s alhéjon. Ez a legkülső, úgynevezett vegyértékelektron. A vegyértékelektronra kifejtett árnyékolást, amely csökkenti a mag három pozitív töltésének hatását, az atomtörzs elektronjai okozzák. Az azonos töltések taszítása miatt az atomtörzs elektronjai taszítják a külső elektront, és leárnyékolják a három pozitív töltés hatását. Azonban így is érvényesül a vonzó hatás a pozitív töltésű atommag és a külső elektron között. Az ellentétes töltések vonzzák egymást, így a külső elektronra hat az atommag vonzása. Mivel az atommag vonzza a külső elektront, csak energia befektetésével lehet eltávolítani a vegyértékelektront a semleges atomból. A külső elektron eltávolításával tehát az atom elveszíti a vegyértékelektronját, és pozitív töltésű lítiumion keletkezik. Egyszeres pozitív töltésű, mivel még mindig 3 protonja van, de már csak 2 elektronja, ezt összegezve 1 pozitív töltés marad. Mivel az elektron leszakításához – az ionizácóhoz – energia szükséges, ez az úgynevezett ionizációs energia pozitív, mértékegysége pedig a kJ/mol. Hasonlítsuk ezt össze az elektronaffinitással. Az elektronaffinitás tárgyalásához induljunk ki ismét a semleges lítiumatomból, de most az elektron eltávolítása helyett hozzáadunk egy elektront. Tehát hozzáadunk egy elektront a 2s alhéjhoz. A kiinduláskor 3 elektront tartalmazó semleges lítiumatomhoz egy újabb elektront adunk. Így a lítium elektronkonfigurációja 1s2 2s2 lesz. Az atommagban még mindig 3 pozitív töltés van, két elektron van az 1s alhéjon, de most, hogy hozzáadtunk egy elektront, összesen négy elektron van jelen, ebből kettő a 2s alhéjon. Kiemelem rózsaszínnel a hozzáadott elektront. Ez az az elektron, amelyet hozzáadtunk a semleges lítiumatomhoz. Mint tudjuk, erre az elektronra árnyékolás hat, ami csökkenti a mag 3 pozitív töltésének a hatását, ezt pedig az atomtörzs 2 elektronja okozza. Az azonos töltések taszítják egymást. Egy kissé az a taszítóerő is hat, amelyet a 2s alhéj másik elektronja okoz. Ez az elektron is taszítja a másikat. Ugyanakkor vonzóerő is hat a pozitív töltésű atommag és a negatív töltésű elektron között. Így a hozzáadott elektronra is hat az atommag vonzóereje. Így a negyedik elektron hozzáadásakor energia szabadul fel. Mivel az atom elektront ad le, az elektronaffinitás értéke negatív. A semleges lítiumaton esetében az elektron hozzáadását kísérő energiaváltozás -60 kJ/mol. Az elektron hozzáadását tehát energiafelszabadulás kíséri, mivel a hozzáadott elektronra is érvényesül a töltéssel rendelkező mag vonzása. Ha tehát a mag vonzza a hozzáadott elektront, negatív értékűnek adódik az elektronaffinitás. Ez az elektronaffinitás értelmezésének egyik lehetősége. Ne feledd, hogy a lítium-anion nagyobb, mint a semleges lítiumatom, csak ezt nehéz bemutatni az ábrákon. Tehát ha a hozzáadott elektronra hat az atommag vonzóereje, energia szabadul fel. Hasonlítsuk össze még egy szempontból az ionizációs energiát és az elektronaffinitást. Az ionizációs energia, amely a magvonzás alatt álló külső elektron eltávolításához kell, komoly energiabefektetést jelent az elektron eltávolítása érdekében. Az elektron leszakítása energiát igényel. Mivel ez energiaigényes, munkát kell hozzá végezni, így az ionizációs energia pozitív előjelű. Az elektronaffinitás esetén azonban, a beépülő elektront vonzza az atommag pozitív töltése. Ezt a folyamatot nem kell kényszeríteni, nem igényel erőfeszítést. Ebben a folyamatban energia szabadul fel, ezért az elektronaffinitás értéke negatív. Az elektronaffinitás nem minden esetben negatív. Egyes atomok nem szeretnének újabb elektront. Vegyük például a neont. A neon elektronkonfigurációja 1s2 2s2 2p6. Ez 2 meg 2 meg 6, összesen 10 elektron, valamint 10 pozitív töltés van a semleges neonatom magjában. Legyen ez az atommag, benne 10 pozitív töltésű protonnal, valamint 10 elektron az atommag körül. Ez a semleges neonatom. Ha megpróbálunk hozzáadni egy elektront, tehát adjunk hozzá egy elektront... Továbbra is 10 proton van az atommagban, emellett van 10 elektron, amelyek az atomtörzs részei. Egy elektron hozzáadásával neon-anion keletkezne, tehát 1s2 2s2 2p6... ezzel megtelt a második energiaszint. Egy elektron hozzáadásával magasabb energiaszintre kell lépnünk. Ez lenne a harmadik energiaszint. Egy s pálya lenne, amelyen egy elektron helyezkedne el. Mondjuk ez lenne az az elektron, amit épp most adtunk az atomhoz. Tehát meg kell próbálnunk egy elektront hozzáadni a neonatomhoz. Ám ha figyelembe vesszük az effektív magtöltést, ami erre az elektronra hat... ...tehát az effektív magtöltést ami a rendszám, azaz a protonszám, és az árnyékolást okozó elektronok számának különbsége... Mivel 10 proton van az atommagban, ennek az értéke 10, és ugyanígy 10 az árnyékoló elektronok száma is. Ez a 10 elektron leárnyékolja az újonnan hozzáadott elektront az atommagban lévő 10 pozitív töltés elől. Gyorsan kiszámolható, hogy az effektív magtöltés nulla. Ez pedig némi egyszerűsítéssel azt jelenti, hogy veheted úgy, hogy a külső elektronra, amit megpróbáltunk beépíteni egyáltalán nem hat a mag vonzóereje. Ez a 10 elektron teljesen leárnyékolja a 10 pozitív töltés hatását. Mivel erre az elektronra semmiféle vonzóerő nem hat, ebben a folyamatban nem szabadul fel energia. Valójában energiát kellene befektetni ahhoz, hogy a neonatomra ráerőszakoljunk egy elektront. Ha megpróbálnánk felírni a folyamatot, megpróbálnánk bemutatni egy elektron hozzáadását a neonatomhoz, hogy abból anion keletkezzen, energialeadás helyett ez a folyamat energiafelvétellel járna. Kényszerítenünk kellene hogy ez a folyamat végbemenjen. Tehát egy elektron rákényszerítése a semleges neonatomra energiát igényel. Azt mondjuk, hogy a neonatomnak nincs affinitása egy újabb elektronhoz. Ezért kémiai szempontból közömbös nemesgáz, és így magyarázható, hogy a nemesgázok miért nem lépnek reakcióba. Az anion, amit létre akartunk hozni, csak rövid ideig létezhet. Tehát a semleges neonatomot csak energiabefektetéssel kényszeríthetjük erre. Azt mondhatnánk, hogy az elektronaffinitás ez esetben pozitív, azaz energiafelvétellel jár. De pozitív elektronaffinitás értékkel általában nem találkozunk ilyen esetekben sem. Az általam ismert tankönyvek többsége nullának tekinti a neon elektronaffinitását, vélhetően azért, mert nehéz megmérni a valós értéket. Ezek a periódusos rendszer második sorának elemei. Lássuk sorra az elektronaffinitásukat. Már láttuk, hogy egy elektron hozzáadása a semleges lítiumatomhoz 60 kJ/mol energialeadással jár. Következik a berillium, amelynek 0 az elektronaffinitása. Ez energiaigényes folyamatot jelent. Tehát ez a szám valójában pozitív, és energiát igényel egy elektron hozzáadása a semleges berilliumatomhoz. Gondoljuk át, hogy keletkezhet a semleges berilliumatomból berillium-anion. Az elektronkonfiguráció a semleges berilliumatomban 1s2 2s2. A negatív töltésű berillium-anion esetében ez 1s2 2s2 alakban kezdődne, azonban egy újabb elektron már a 2p alhéjra kerülne, amelynek az energiaszintje magasabb. Ez lényegében ugyanaz, vagy nagyon hasonló, mint a neon esete, amit az imént tárgyaltunk. A neon elektronkonfigurációja 1s2 2s2 2p6, és egy újabb elektron már a harmadik energiaszintre kerülne. Egy újabb héjat kellene megnyitnunk. A hozzáadott elektron elől a többi elektron teljesen leárnyékolná a magtöltést. Hasonló dolog történik a berillium-anionnal. Egy újabb elektron hozzáadásához meg kell nyitnunk egy magasabb energiájú p pályát. Ez az elektron átlagosan távolabb van a magtól, és le van árnyékolva a mag pozitív töltése elől, ezért nem vonzza az újonnan hozzáadott elektront. Erre az elektronra nem hat vonzóerő, így a berillium-anion képződése energiaigényes. Ezért látható 0 érték a berilliumnál. A berilliumnak nincs elektronaffinitás értéke, illetve valójában az nagy pozitív érték, amit egyszerűen nullának veszünk. Lássuk ezután a bórt. Itt a leadott energia -27 kJ/mol. Innentől látható némi szabályszerűség, ha a bórtól a szénen és az oxigénen át a fluorig megyünk. A periódusos rendszerben vízszintesen haladva növekszik a felszabaduló energia, így a fluor elektronaffinitása a legnagyobb. A periódusban vízszintesen haladva tehát az elektronaffinitás növekszik. A negatív előjel csak arra utal, hogy energialeadás történik, tehát csak a nagyságrend számít. Több energia szabadul fel, ha elektront adunk egy semleges fluoratomhoz, mint amikor egy semleges oxigénatomhoz adunk egy elektront. Ez a szabályszerűség megmagyarázható az effektív magtöltés segítségével. A periódusban vízszintesen haladva az effektív magtöltés is növekszik. Ha a hozzáadott elektront az atommag nagyobb erővel vonzza amit a nagyobb effektív magtöltés okoz, több energia szabadul fel, amikor beépül ez az elektron. Ezzel magyarázható az általános trend az elektronaffinitás tekintetében. Egy perióduson belül az elektronaffinitás növekszik. A kivételek közt már említettük a berilliumot és a neont, de mi a helyzet a nitrogénnel? Látható, hogy a nitrogénnek sincs igazán jellemző elektronaffinitása. Erre vonatkozóan sokféle értékkel találkozhatsz a különféle tankönyvekben. De egy gyors pillantást vetve az elektronkonfigurációkra megpróbálhatjuk ezt is megmagyarázni. A nitrogén elektronkonfigurációja 1s2 2s2 2p3. Jelöljük az alhéjakat, legyen ez a 2s alhéj, ez pedig a 2p jelű alhéj három p pályája Írjuk bele az elektronokat! 2 elektron kerül a 2s alhéjra, majd 3 elektron a 2p alhéj pályáira Írjuk ezeket is ide! Ha megpróbálunk a semleges nitrogénatomhoz egy újabb elektront adni az elektron ezen p pályák egyikére kerül, ahol már van egy-egy elektron. Ha egy újabb elektron kerül e pályák egyikére, az újabb elektront taszítani fogja a már ott lévő másik elektron. A tankönyvek általában így magyarázzák azt, hogy itt megtörik a szabályszerű változás. A nitrogén nem szeretne egy újabb elektront. Mindezek után nyilvánvaló, hogy az elektronaffinitás kissé bonyolultabb, mint az ionizációs energia. Az ionizációs energia egészen szabályos trend szerint változik, és kicsivel könnyebben magyarázható. Az elektronaffinitást illetően egy perióduson belül látszik némi szabályszerűség, de sok a kivétel, és a magyarázatok talán kissé leegyszerűsítik a valóságot. A periódusokban mindenesetre látható némi szabályszerűség. A függőleges csoportokban sokkal nehezebb a helyzet. Több a következetlenség, így nem is igazán érdemes szabályszerűséget keresni.