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Energiefreisetzung bei Elektroneneinfangreaktionen: Warum ist das ein erstaunlicher Prozess?
In der Chemie und Physik wird die Elektronenaffinität (Eea) als die Energie definiert, die freigesetzt wird, wenn sich ein Elektron an ein neutrales Atom oder Molekül bindet. Die Reaktion im Gaszustand kann wie folgt ausgedrückt werden:
X(g) + e− → X−(g) + Energie
Beim Elektroneneinfang werden durch die freigesetzte Energie viele atomare und molekulare Wechselwirkungen stabiler. Dieser Prozess ist in unserem täglichen Leben unsichtbar, aber ein wichtiger Teil der Grundlagenforschung. Beispielsweise gibt es für dieses Phänomen in der Festkörperphysik unterschiedliche Definitionen und diese Unterschiede haben zu einem neuen Verständnis der Elektronenaffinität geführt.
Messung und Anwendung der Elektronenaffinität
Messungen der Elektronenaffinität sind auf Atome und Moleküle im gasförmigen Zustand beschränkt, da sich im festen oder flüssigen Zustand die Energieniveaus ändern, wenn sie mit anderen Atomen oder Molekülen in Kontakt kommen. Diese Eigenschaft macht die Elektronenaffinität zu einem präzisen Messinstrument. Der renommierte Chemiker Robert S. Mulliken verwendete Daten zur Elektronenaffinität, um einen Standard für die Elektronegativität von Atomen zu entwickeln:
Die Elektronegativität ist gleich dem Durchschnitt aus Elektronenaffinität und Ionisierungsenergie.
Darüber hinaus wird die Elektronenaffinität auch bei der Diskussion theoretischer Konzepte wie dem chemischen Elektronenpotenzial und der chemischen Härte berücksichtigt. Bei chemischen Reaktionen werden Atome mit höherer Elektronenaffinität häufig als Elektronenakzeptoren bezeichnet, während Elektronendonatoren solche mit geringerer Affinität sind. Zwischen beiden können Ladungsübertragungsreaktionen auftreten.
Signaturspezifikationen
Die korrekte Verwendung der Elektronenaffinität erfordert die Beachtung ihres Vorzeichens. Beispielsweise ist bei einer Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird, der Wert der Gesamtenergieänderung ΔE negativ und eine solche Reaktion wird als exothermer Prozess bezeichnet. Fast jeder Elektroneneinfang von Nicht-Edelgasatomen geht mit der Freisetzung von Energie einher und ist daher ein exothermer Prozess. Die in verschiedenen Referenzen aufgeführten positiven Werte sind tatsächlich das, was wir „freigesetzte“ Energie nennen und liefern somit das negative Vorzeichen für ΔE. Für viele Menschen ist es verwirrend, den EEA als Energiewandel zu interpretieren, obwohl die tatsächliche Beziehung folgendermaßen aussieht:
Eea = −ΔE(anhängen)
Wenn der Wert von Eea ein negatives Vorzeichen hat, bedeutet dies, dass zur Bindung des Elektrons Energie erforderlich ist, wodurch die Elektroneneinfangung zu einem endothermen Prozess wird. Dieser negative Wert tritt normalerweise beim Einfangen eines zweiten Elektrons oder in Stickstoffatomen auf.
Elektronenaffinität von Elementen
Obwohl die Elektronenaffinitäten im Periodensystem variieren, können wir dennoch einige Trends beobachten. Im Allgemeinen ist der Eea-Wert von Nichtmetallen höher als der von Metallen. Wenn das Anion stabiler ist als das neutrale Atom, ist der Eea-Wert größer. Beispielsweise hat Chlor die stärkste Anziehungskraft auf zusätzliche Elektronen, Neon hingegen die schwächste. Die Elektronenaffinitäten der Edelgase sind nicht genau definiert, daher können ihre Werte negativ sein.
Normalerweise nimmt Eea in der Reihenfolge über die Zeilen (horizontal) des Periodensystems zu. In Gruppe 17 erhöht sich die freigesetzte Energie, da Atome Elektronen gewinnen, um das Valenzband aufzufüllen. Obwohl viele Leute erwarten würden, dass die Elektronenaffinität mit fortschreitender Periode abnimmt, nimmt der Eea in vielen Spalten tatsächlich zu.
Molekulare Elektronenaffinität
Die Elektronenaffinität eines Moleküls ist eine komplexere Funktion, die von seiner elektronischen Struktur beeinflusst wird. Beispielsweise hat Benzol eine negative Elektronenaffinität, während Anthracen, Phenanthren und Pyren positive Werte aufweisen. Darüber hinaus zeigen die Berechnungsergebnisse auch, dass die Elektronenaffinität von Hexacyanobenzol die von Fulleren übersteigt.
Elektronenaffinität in der Festkörperphysik
In der Festkörperphysik wird die Elektronenaffinität anders definiert. Für die Schnittstelle zwischen einem Halbleiter und einem Vakuum wird die Elektronenaffinität als die Energie definiert, die durch die Bewegung eines Elektrons vom Vakuum zum unteren Ende des Leitungsbandes innerhalb des Halbleiters gewonnen wird. Bei einem Halbleiter am absoluten Nullpunkt ähnelt dieses Konzept der Definition der Elektronenaffinität in der Chemie. Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt und bei anderen Materialien wie Metallen und stark dotierten Halbleitern wandern die hinzugefügten Elektronen jedoch im Allgemeinen eher zum Fermi-Niveau als an die untere Grenze des Leitungsbandes.
Die effektive Nutzung dieser Elektronenaffinitäten und ihre Messung werden zu einer wichtigen Frage in der modernen Materialwissenschaft und Physik werden. Dieses Wissen wird uns bei der Erforschung von Oberflächenabschlüssen, Grenzstrukturen und deren Auswirkungen leiten. Können Sie sich vorstellen, wie die Technologie der Zukunft von einem besseren Verständnis der Elektronenaffinität profitieren könnte?
