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Rilascio di energia nelle reazioni di cattura degli elettroni: perché è un processo sorprendente?
Nei campi della chimica e della fisica, l'affinità elettronica (Eea) è definita come l'energia rilasciata quando un elettrone si lega a un atomo o a una molecola neutra. La reazione allo stato gassoso può essere espressa come:
X(g) + e− → X−(g) + energia
Durante il processo di cattura degli elettroni, l'energia rilasciata rende più stabili numerose interazioni atomiche e molecolari. Questo processo è invisibile nella nostra vita quotidiana, ma è una parte essenziale della scienza di base. Ad esempio, questo fenomeno ha definizioni diverse nella fisica dello stato solido e questa differenza ha portato a un nuovo livello di comprensione dell'affinità elettronica.
Misurazione e applicazione dell'affinità elettronica
Le misurazioni dell'affinità elettronica sono limitate agli atomi e alle molecole allo stato gassoso perché nello stato solido o liquido i livelli di energia cambiano quando entrano in contatto con altri atomi o molecole. Questa proprietà rende l'affinità elettronica uno strumento di misurazione preciso. Il famoso chimico Robert S. Mulliken ha utilizzato i dati sull'affinità elettronica per sviluppare uno standard per l'elettronegatività degli atomi:
L'elettronegatività è uguale alla media tra l'affinità elettronica e l'energia di ionizzazione.
Inoltre, l'affinità elettronica è coinvolta anche nella discussione di concetti teorici quali il potenziale chimico elettronico e la durezza chimica. Nelle reazioni chimiche, gli atomi con maggiore affinità elettronica sono spesso chiamati accettori di elettroni, mentre i donatori di elettroni sono quelli con minore affinità; tra i due possono verificarsi reazioni di trasferimento di carica.
Specifiche della firma
Per usare correttamente l'affinità elettronica è necessario prestare attenzione al suo segno. Ad esempio, per una reazione che rilascia energia, il valore della variazione di energia totale ΔE è negativo e tale reazione è detta processo esotermico. Quasi ogni cattura di elettroni da parte di atomi di gas non nobili comporta il rilascio di energia ed è quindi un processo esotermico. I valori positivi elencati in vari riferimenti sono in realtà ciò che chiamiamo energia "rilasciata", fornendo quindi il segno negativo per ΔE. Per molte persone è sconcertante interpretare erroneamente l'EEA come un cambiamento energetico, quando la relazione effettiva è:
Eea = −ΔE(attacca)
Se il valore di Eea ha segno negativo, significa che è necessaria energia per legare l'elettrone, rendendo la cattura degli elettroni un processo endotermico. Questo valore negativo si verifica solitamente nella cattura di un secondo elettrone o negli atomi di azoto.
Affinità elettronica degli elementi
Sebbene le affinità elettroniche varino nella tavola periodica, possiamo comunque osservare alcune tendenze. In generale, il valore Eea dei non metalli sarà più alto di quello dei metalli. Quando l'anione è più stabile dell'atomo neutro, il valore di Eea sarà maggiore. Ad esempio, il cloro esercita la più forte attrazione per gli elettroni extra, mentre il neon quella più debole. Le affinità elettroniche dei gas nobili non sono ben definite, quindi i loro valori possono essere negativi.
Normalmente, Eea aumenta in ordine attraverso le righe (orizzontali) della tavola periodica. Nel gruppo 17, quando gli atomi acquistano elettroni per riempire la banda di valenza, l'energia rilasciata aumenta. Sebbene molti si aspettino che l'affinità elettronica diminuisca man mano che il periodo procede verso il basso, in realtà, in molte colonne, l'Eea aumenta.
Affinità elettronica molecolare
L'affinità elettronica di una molecola è una funzione più complessa che è influenzata dalla sua struttura elettronica. Ad esempio, il benzene ha un'affinità elettronica negativa, mentre l'antracene, il fenantrene e il pirene hanno valori positivi. Inoltre, i risultati del calcolo mostrano anche che l'affinità elettronica dell'esacianobenzene supera quella del fullerene.
Affinità elettronica nella fisica dello stato solido
Nella fisica dello stato solido, l'affinità elettronica è definita in modo diverso. Per l'interfaccia tra un semiconduttore e il vuoto, l'affinità elettronica è definita come l'energia guadagnata spostando un elettrone dal vuoto al fondo della banda di conduzione all'interno del semiconduttore. In un semiconduttore allo zero assoluto, questo concetto è simile alla definizione di affinità elettronica in chimica. Tuttavia, a temperature superiori allo zero assoluto e per altri materiali come metalli e semiconduttori fortemente drogati, gli elettroni aggiunti generalmente andranno al livello di Fermi anziché al fondo della banda di conduzione.
Il modo in cui utilizzare efficacemente queste affinità elettroniche e la loro misurazione diventeranno considerazioni importanti nella moderna scienza dei materiali e nella fisica. Questa conoscenza ci guiderà ogni volta che esploreremo le terminazioni superficiali, le strutture di taglio e i loro effetti. Riesci a immaginare come la tecnologia del futuro potrebbe trarre vantaggio da una maggiore comprensione dell'affinità elettronica?
