Language
Country/Area
No result found
Giải phóng năng lượng trong phản ứng bắt electron: Tại sao đây lại là một quá trình đáng kinh ngạc?
Trong lĩnh vực hóa học và vật lý, ái lực electron (Eea) được định nghĩa là năng lượng giải phóng khi một electron liên kết với một nguyên tử hoặc phân tử trung hòa. Phản ứng ở trạng thái khí có thể được biểu thị như sau:
X(k) + e− → X−(k) + năng lượng
Trong quá trình bắt electron, năng lượng giải phóng làm cho nhiều tương tác nguyên tử và phân tử trở nên ổn định hơn. Quá trình này vô hình trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhưng lại là một phần thiết yếu của khoa học cơ bản. Ví dụ, hiện tượng này có nhiều định nghĩa khác nhau trong vật lý trạng thái rắn và sự khác biệt này đã dẫn đến một cấp độ hiểu biết mới về ái lực electron.
Đo lường và ứng dụng ái lực electron
Các phép đo ái lực electron bị giới hạn ở các nguyên tử và phân tử ở trạng thái khí vì ở trạng thái rắn hoặc lỏng, mức năng lượng thay đổi khi chúng tiếp xúc với các nguyên tử hoặc phân tử khác. Tính chất này làm cho ái lực electron trở thành một công cụ đo lường chính xác. Nhà hóa học nổi tiếng Robert S. Mulliken đã sử dụng dữ liệu về ái lực electron để phát triển một tiêu chuẩn cho độ âm điện của các nguyên tử:
Độ âm điện bằng giá trị trung bình của ái lực electron và năng lượng ion hóa.
Ngoài ra, ái lực electron cũng liên quan đến việc thảo luận các khái niệm lý thuyết như thế hóa học electron và độ cứng hóa học. Trong các phản ứng hóa học, các nguyên tử có ái lực electron cao hơn thường được gọi là chất nhận electron, trong khi chất cho electron là những chất có ái lực thấp hơn và phản ứng truyền điện tích có thể xảy ra giữa hai chất này.
Thông số kỹ thuật chữ ký
Việc sử dụng đúng ái lực electron đòi hỏi phải chú ý đến dấu hiệu của nó. Ví dụ, đối với phản ứng giải phóng năng lượng, giá trị của tổng thay đổi năng lượng ΔE là âm và phản ứng như vậy được gọi là quá trình tỏa nhiệt. Hầu như mọi quá trình bắt electron của các nguyên tử khí không phải khí hiếm đều liên quan đến việc giải phóng năng lượng và do đó là một quá trình tỏa nhiệt. Các giá trị dương được liệt kê trong nhiều tài liệu tham khảo thực chất là những gì chúng ta gọi là năng lượng "được giải phóng", do đó cung cấp dấu âm cho ΔE. Đối với nhiều người, việc hiểu sai EEA là sự thay đổi năng lượng là điều khó hiểu, trong khi mối quan hệ thực tế là:
Eea = −ΔE(gắn)
Nếu giá trị Eea có dấu âm, điều đó có nghĩa là cần có năng lượng để gắn electron, khiến quá trình bắt electron trở thành một quá trình thu nhiệt. Giá trị âm này thường xảy ra khi bắt giữ electron thứ hai hoặc trong các nguyên tử nitơ.
Độ ái lực electron của các nguyên tố
Mặc dù ái lực electron thay đổi trong bảng tuần hoàn, chúng ta vẫn có thể quan sát thấy một số xu hướng. Nhìn chung, giá trị Eea của phi kim loại sẽ cao hơn giá trị Eea của kim loại. Khi anion bền hơn nguyên tử trung hòa thì giá trị Eea sẽ lớn hơn. Ví dụ, clo có sức hút mạnh nhất đối với các electron bổ sung, trong khi neon lại có sức hút yếu nhất. Độ ái lực electron của các khí hiếm chưa được xác định rõ ràng nên giá trị của chúng có thể là số âm.
Thông thường, Eea tăng theo thứ tự trên các hàng (theo chiều ngang) của bảng tuần hoàn. Trong Nhóm 17, khi các nguyên tử nhận thêm electron để lấp đầy dải hóa trị, năng lượng giải phóng sẽ tăng lên. Mặc dù nhiều người cho rằng ái lực electron sẽ giảm dần khi chu kỳ đi xuống, nhưng trên thực tế, ở nhiều cột, Eea thực sự tăng lên.
Độ ái lực electron phân tử
Độ ái lực electron của một phân tử là một hàm phức tạp hơn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc electron của nó. Ví dụ, benzen có ái lực electron âm, trong khi anthracen, phenanthren và pyren có giá trị electron dương. Ngoài ra, kết quả tính toán cũng cho thấy ái lực electron của hexaxianobenzen lớn hơn ái lực electron của fullerene.
Áp lực electron trong vật lý trạng thái rắn
Trong vật lý trạng thái rắn, ái lực electron được định nghĩa theo cách khác. Đối với giao diện giữa chất bán dẫn và chân không, ái lực electron được định nghĩa là năng lượng thu được bằng cách di chuyển một electron từ chân không đến đáy của dải dẫn bên trong chất bán dẫn. Trong chất bán dẫn ở độ không tuyệt đối, khái niệm này tương tự như định nghĩa về ái lực electron trong hóa học. Tuy nhiên, ở nhiệt độ trên độ không tuyệt đối và đối với các vật liệu khác như kim loại và chất bán dẫn được pha tạp nhiều, các electron được thêm vào thường sẽ đi đến mức Fermi thay vì đến đáy của dải dẫn.
Cách sử dụng hiệu quả các ái lực electron này và cách đo lường chúng sẽ trở thành một cân nhắc quan trọng trong khoa học vật liệu và vật lý hiện đại. Kiến thức này sẽ hướng dẫn chúng ta bất cứ khi nào chúng ta khám phá các điểm kết thúc bề mặt, cấu trúc cắt và tác động của chúng. Bạn có thể tưởng tượng được công nghệ tương lai sẽ được hưởng lợi như thế nào khi hiểu rõ hơn về ái lực electron không?
