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Libération d’énergie dans les réactions de capture d’électrons : pourquoi est-ce un processus étonnant ?
Dans les domaines de la chimie et de la physique, l'affinité électronique (Eea) est définie comme l'énergie libérée lorsqu'un électron se fixe à un atome ou à une molécule neutre. La réaction à l'état gazeux peut être exprimée comme :
X(g) + e− → X−(g) + énergie
Au cours du processus de capture d’électrons, l’énergie libérée rend de nombreuses interactions atomiques et moléculaires plus stables. Ce processus est invisible dans notre vie quotidienne, mais il constitue un élément essentiel de la science fondamentale. Par exemple, ce phénomène a des définitions différentes en physique du solide, et cette différence a conduit à un nouveau niveau de compréhension de l’affinité électronique.
Mesure et application de l'affinité électronique
Les mesures d’affinité électronique sont limitées aux atomes et aux molécules à l’état gazeux car à l’état solide ou liquide, les niveaux d’énergie changent lorsqu’ils entrent en contact avec d’autres atomes ou molécules. Cette propriété fait de l’affinité électronique un outil de mesure précis. Le célèbre chimiste Robert S. Mulliken a utilisé des données sur l'affinité électronique pour développer une norme pour l'électronégativité des atomes :
L'électronégativité est égale à la moyenne de l'affinité électronique et de l'énergie d'ionisation.
En outre, l’affinité électronique est également impliquée dans la discussion de concepts théoriques tels que le potentiel chimique électronique et la dureté chimique. Dans les réactions chimiques, les atomes ayant une affinité électronique plus élevée sont souvent appelés accepteurs d'électrons, tandis que les donneurs d'électrons sont ceux ayant une affinité plus faible, et des réactions de transfert de charge peuvent se produire entre les deux.
Spécifications de signature
L’utilisation correcte de l’affinité électronique nécessite de prêter attention à son signe. Par exemple, pour une réaction qui libère de l’énergie, la valeur de la variation totale d’énergie ΔE est négative et une telle réaction est appelée processus exothermique. Presque toutes les captures d’électrons d’atomes de gaz non nobles impliquent la libération d’énergie et constituent donc un processus exothermique. Les valeurs positives répertoriées dans diverses références sont en fait ce que nous appelons l'énergie « libérée », fournissant ainsi le signe négatif pour ΔE. Pour de nombreuses personnes, il est déroutant d’interpréter à tort l’EEA comme un changement d’énergie, alors que la relation réelle est la suivante :
Eea = −ΔE(attacher)
Si la valeur de Eea a un signe négatif, cela signifie que de l'énergie est nécessaire pour attacher l'électron, faisant de la capture d'électrons un processus endothermique. Cette valeur négative se produit généralement lors de la capture d’un deuxième électron ou dans les atomes d’azote.
Affinité électronique des éléments
Bien que les affinités électroniques varient à travers le tableau périodique, nous pouvons toujours observer certaines tendances. D’une manière générale, la valeur Eea des non-métaux sera plus élevée que celle des métaux. Lorsque l'anion est plus stable que l'atome neutre, la valeur de Eea sera plus grande. Par exemple, le chlore a la plus forte attraction pour les électrons supplémentaires, tandis que le néon a la plus faible. Les affinités électroniques des gaz nobles ne sont pas bien définies, leurs valeurs peuvent donc être négatives.
Normalement, Eea augmente dans l'ordre sur les lignes (horizontalement) du tableau périodique. Dans le groupe 17, à mesure que les atomes gagnent des électrons pour remplir la bande de valence, l’énergie libérée augmente. Bien que de nombreuses personnes s'attendraient à ce que l'affinité électronique diminue à mesure que la période progresse vers le bas, en fait, dans de nombreuses colonnes, l'Eea augmente.
Affinité électronique moléculaire
L'affinité électronique d'une molécule est une fonction plus complexe qui est affectée par sa structure électronique. Par exemple, le benzène a une affinité électronique négative, tandis que l’anthracène, le phénanthrène et le pyrène ont des valeurs positives. De plus, les résultats des calculs montrent également que l’affinité électronique de l’hexacyanobenzène dépasse celle du fullerène.
Affinité électronique en physique du solide
En physique du solide, l’affinité électronique est définie différemment. Pour l'interface entre un semi-conducteur et le vide, l'affinité électronique est définie comme l'énergie gagnée en déplaçant un électron du vide vers le bas de la bande de conduction à l'intérieur du semi-conducteur. Dans un semi-conducteur au zéro absolu, ce concept est similaire à la définition de l’affinité électronique en chimie. Cependant, à des températures supérieures au zéro absolu, et pour d’autres matériaux tels que les métaux et les semi-conducteurs fortement dopés, les électrons ajoutés iront généralement au niveau de Fermi plutôt qu’au bas de la bande de conduction.
La manière d’utiliser efficacement ces affinités électroniques et leur mesure deviendra une considération importante dans la science des matériaux et la physique modernes. Ces connaissances nous guideront chaque fois que nous explorerons les terminaisons de surface, les structures de coupure et leurs effets. Pouvez-vous imaginer comment la technologie future pourrait bénéficier d’une meilleure compréhension de l’affinité électronique ?
