Elektronenaffinität

Elektronenaffinität E_EA im Banddiagramm, dabei sind E_VAC, E_C, E_F, E_V die Vakuumenergie, die untere Leitungsbandkante, die Fermienergie und die obere Valenzbandkante, respektive.

Als Elektronenaffinität (Abkürzung EA auch E_ea oder $ \Delta H $ oder χ) bezeichnet man diejenige Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem einfach negativ geladenen Ion zu lösen, d. h. die Ionisierungsenergie eines Anions.^[1] Die Elektronenaffinität ist also die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand eines einzelnen neutralen Atoms oder Moleküls und dem Grundzustand des zugehörigen negativ geladenen Ions, d.h. es handelt sich um den Energiebetrag, der bei der Aufnahme eines Elektrons durch das neutrale Atom/Molekül freigesetzt bzw. benötigt wird. Für Festkörper ist es die Energiedifferenz zwischen der Vakuumenergie und der unteren Leitungsbandkante wie im Bild dargestellt.^[2]

Die Elektronenaffinität (Einheit: Joule) ist somit ein Maß dafür, wie stark ein Neutralatom oder -molekül ein zusätzliches Elektron binden kann. Der umgekehrte Vorgang – die Abtrennung eines Elektrons aus einem neutralen Atom oder Molekül – wird als Ionisierung bezeichnet und durch die Ionisierungsenergie charakterisiert. Die Elektronenaffinität gehört zu den sich periodisch ändernden Eigenschaften der Elemente innerhalb des Periodensystems der Elemente.

Elektronenaffinitäten der Elemente

X⁻ → X + e⁻

Nach einer äquivalenten, in der Chemie gebräuchlicheren Definition^[3], ist die Elektronenaffinität die bei der Anlagerung eines Elektrons an ein neutrales Atom oder Molekül im Gaszustand umgesetzte Energiemenge.

X + e⁻ → X⁻ + EA

Bsp:

$ \mathrm {F(g)+e^{-}\rightarrow F^{-}(g)\quad \Delta H=-328\ kJ/mol} $ (Energie wird frei).

$ \mathrm {Ne(g)+e^{-}\rightarrow Ne^{-}(g)\quad \Delta H=+30\ kJ/mol} $ (Energie muss aufgewendet werden).

Werte für die Elektronenaffinität werden meist in der Maßeinheit Elektronenvolt (eV) oder kJ/mol angegeben.

Obwohl die Elektronenaffinitäten im Periodensystem zum Teil stark variieren, sind einige periodische Trends deutlich erkennbar. So besitzen Nichtmetalle in der Regel eine negativere Elektronenaffinität als Metalle. Wird durch die Anlagerung eines Elektrons ein voll- oder halbbesetztes Energieniveau erreicht, so zeigen die Elektronenaffinitäten in diesen Gruppen (z. B. 14 und 17) Maxima, weil dadurch besonders stabile Elektronenkonfigurationen erreicht werden. Mit -3,62 eV besitzt Chlor die höchste Elektronenaffinität der Elemente.

Bei Elementen, welche vollbesetzte s-, p- oder d-Valenz-Schalen aufweisen, ist naturgemäß das Bestreben zur weiteren Aufnahme von Elektronen sehr gering. Hier muss Energie aufgewendet werden, um diesen Atomen weitere Elektronen hinzuzufügen. Daher haben die Erdalkalimetalle, die Metalle der Zinkgruppe und die Edelgase positive Elektronenaffinitäten.

Um die Tendenzen der Werte zu interpretieren, hilft auch die Kenntnis des folgenden Sachverhaltes: Da ein Elektron vom positiven Atomkern angezogen wird, finden sich in einer Periode, nach abnehmendem Atomradius von links nach rechts, immer größere Werte für die Elektronenaffinität. Da die Kerne, und somit der Abstand der äußersten Elektronenhülle zum Kern immer kleiner werden.^[4]

Elektronenaffinitäten sind experimentell nur schwer zugänglich, sodass Literaturwerte zum Teil stark abweichen.

Umrechnung in eV

Zur Umrechnung in Elektronenvolt müssen die o.g. Werte zunächst auf ein einzelnes Atom heruntergerechnet werden, indem durch die Stoffmenge 1 Mol = 6,022·10²³ dividiert wird. Der resultierende Wert in kJ (pro Atom) lässt sich dann über die Beziehung 1eV=1,602·10⁻²²kJ in Elektronenvolt umrechnen. Es ergibt sich als Umrechnungsfaktor somit 0,0103657 eV·mol/kJ.

Einzelnachweise