الکترون خواهی در شیمی | به زبان ساده

مقدمه

به طور مشابه، زمانی که الکترونی به یک اتم خنثی اضافه شود، انرژی آزاد می‌شود که به آن، الکترون خواهی اول می‌گوییم. در نتیجه، الکترون خواهی اول، منفی خواهد بود. با این وجود، انرژی بیش‌تری برای اضافه کردن یک الکترون دیگر به یون منفی نیاز داریم که موسوم به الکترون خواهی دوم است. این انرژی، بر انرژی آزاد شده به هنگام اضافه کردن الکترون غلبه می‌کند و به عبارت دیگر، انرژی مورد نیاز، بیش‌ از انرژی دریافت شده است. بنابراین، الکترون خواهی دوم، مثبت خواهد بود.

الکترون خواهی اول: انرژی منفی $${X (g) + e ^ - \rightarrow X ^ {-} (g)}$$

الکترون خواهی دوم: انرژی مثبت $${X ^- (g) + e^- \rightarrow X ^{2-} (g) }$$

الکترون خواهی اول

فیلم آموزش الکترون و کاربردهای آن در فرادرس

کلیک کنید

مثال برای الکترون خواهی گروه ۱۷

• فلوئور: $$-328 \ k J \ mol ^ {-1}$$
• کلر: $$-349 \ k J \ mol ^ {-1}$$
• برم: $$-324 \ k J \ mol ^ {-1}$$
• ید: $$-295 \ k J \ mol ^ {-1}$$

بررسی الکترون خواهی فلزات در برابر نافلزات

در این بخش به صور خلاصه، تفاوت‌های الکترون خواهی فلزات در برابر نافلزات را بررسی خواهیم کرد.

فلزات

نافلزات

الگوهای مشخص در الکترون خواهی

به یاد دارید که هرقدر فاصله بیش‌تر باشد، جاذبه کمتری داریم. بنابراین، زمانی که یک الکترون به اوربیتال خارجی اضافه شود، انرژی آزاد می‌شود. علاوه بر این، هرقدر تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت یک اتم بیش‌تر باشد، تمایل بیش‌تری برای جذب الکترون و تکمیل کردن آرایش گاز نجیب دارد. هر قدر تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت یک اتم، کمتر باشند، تمایل اتم برای از دست دادن آن‌ها کمتر خواهد بود.

الکترون خواهی در هر گروه از بالا به پایین و در هر تناوب از راست به چپ کاهش پیدا می‌کند زیرا الکترون‌های اضافه شده، در سطوح بالاتری از انرژی و دورتر از هسته قرار می‌گیرند و کشش هسته را به میزان کمتری احساس می‌کنند. با این وجود ممکن است این نگاه پیش بیاید که با توجه به افزایش تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت در هر گروه از بالا به پایین، اتم مورد نظر باید پایدارتر و الکترون خواهی بیش‌تری داشته باشد. اما باید «اثر پوششی الکترون‌ها» (Shielding Effect) را نیز در نظر بگیریم.

با حرکت از بالا به پایین در یک گروه، اثر پوششی افزایش می‌یابد و دافعه‌ بین الکترون‌ها بیشتر می‌شود. به همین دلیل، جاذبه بین الکترون‌ها و هسته در هر گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد.

با حرکت در هر گروه از بالا به پایین، الکترون خواهی اول کاهش پیدا می‌کند به این معنی که برای تشکیل یون‌های منفی، انرژی کمتری دخیل می‌شود. اما اتم فلوئور از این الگو پیروی نمی‌کند و باید آن‌را به طور جداگانه‌ای در نظر گرفت. به عبارت دیگر، الکترون خواهی را می‌توان معیاری برای سنجش جاذبه بین الکترون‌های ورودی و هسته دانست. هر قدر این جاذبه بیش‌تر باشد، انرژی بیش‌تری آزاد می‌شود.

عوامل موثر بر الکترون خواهی به طور دقیق با عوامل موثر بر انرژی یونش منطبق هستند که شامل بار هسته، فاصله و اثر پوششی الکترون‌ها بود. افزایش بار هسته در هر گروه از بالا به پایین با اثر پوششی الکترون‌ها خنثی می‌شود. صرف نظر از نوع اتم مورد بحث، هر الکترون، کشش بار $$+7$$ را از مرکز اتم احساس می‌کند.

بررسی الکترون خواهی فلوئور و کلر

آرایش الکترونی اتم فلوئور به صورت زیر است:

$$\begin {equation}1 s^{2} 2 s^{2} 2 p x^{2} 2 p y^{2} 2 p z^{1} \end {equation}$$

این اتم در هسته خود، ۹ پروتون دارد. الکترون ورودی، به سطح دوم انرژی وارد می‌شود و الکترون‌های $$1 s^{2}$$، پوششی در مقابل هسته برای آن‌ ایجاد می‌کنند. در نهایت، این الکترون، جاذبه‌ای بار $$+7$$ را از طرف هسته احساس می‌کند. در حقیقت، دو الکترون پوششی، جاذبه ۹ پروتون را کاهش داده‌اند.

در مقابل، آرایش الکترونی اتم کلر به صورت زیر است:

$$\begin {equation}1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p_{x}^{2} 3 p_ {y}^{2} 3 p_ {z}^{1} \end {equation}$$

این اتم در هسته خود ۱۷ پروتون دارد اما الکترون ورودی، جاذبه باری به صورت $$+7$$ حس می‌کند چراکه الکترون‌های لایه اول و دوم، جاذبه ۱۷ پروتون را کاهش داده‌اند.

با بررسی موارد بالا در می‌یابیم که در هر گروه از بالا به پایین، هرقدر فاصله الکترون ورودی از هسته بیش‌تر باشد، جاذبه کمتر و به دنبال آن، انرژی آزاد شده کمتری (الکترون خواهی کمتر) خواهیم داشت.

مثال پیش‌بینی الکترون‌خواهی عناصر

بر اساس محل عناصر Sb، Se و Te،‌ پیش‌بینی کنید که کدامیک از این عناصر، بیش‌ترین مقدار منفی الکترونگاتیوی را دارند.

برای حل این سوال،‌ به صورت زیر عمل کنید:

عناصر را در جدول تناوبی پیدا کنید. از روندهای الکترون خواهی در هر گروه و تناوب استفاده کنید تا روند کلی الکترون خواهی عناصر هم‌گروه و عناصر مشترک در یک تناوب به راحتی مشخص شوند.

می‌دانیم که در هر گروه از بالا به پایین، مقدارِ منفی الکترون خواهی کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه می‌توان پیش‌بینی کرد که الکترون‌خواهی Se، منفی‌تر از Te خواهد بود. همچنین می‌دانیم که مقدار الکترون‌خواهی در هر تناوب از چپ به راست، منفی‌تر می‌شود و مقدار منفی در عناصر گروه ۱۵، کمتر از حالت مورد انتظار است. از آن‌جایی که Sb در سمت چپ Te و به گروه ۱۵ تعلق دارد، پیش‌بینی می‌کنیم که الکترون‌خواهی Te منفی‌تر از Sb باشد. در نتیجه،‌ ترتیب الکترون‌خواهی عناصر به صورت زیر خواهد بود:

$$S e < T e < S b$$

بنابراین، Se، منفی‌ترین مقدار الکترون‌خواهی را در میان این ۳ عنصر دارد.

علت رفتار متفاوت فلوئور در روند الکترون خواهی

مقایسه مقادیر الکترون خواهی گروه ۱۶ و ۱۷ جدول تناوبی

همانطور که مشاهده کردید، الکترون خواهی اول در اکسیژن ($$-142 kJ mol ^ {-1}$$)، کمتر از فلوئور ($$-328 kJ mol ^ {-1}$$) است. به طور مشابه نیز این مقدار برای گوگرد ($$-200 kJ mol ^ {-1}$$) کمتر از کلر ($$-349 kJ mol ^ {-1}$$) است. اما دلیل این امر چیست؟ این سوال، جواب ساده‌ای دارد. در حقیقت، دلیل این اتفاق، وجود ۱ پروتون کمتر در گروه ۱۶ نسبت به هسته اتم‌های گروه ۱۷ جدول تناوبی است. مقدار پوشش الکترون‌های داخلی، به یک میزان و ثابت خواهد بود یعنی کشش خالص از طرف هسته در گروه ۱۶ کمتر از گروه ۱۷ است و بنابراین، الکترون خواهی کمتری داریم.

واکنش‌پذیری عناصر در گروه ۱۷ از بالا به پایین کاهش پیدا می‌کند و در نتیجه، فلوئور، بیش‌ترین واکنش‌پذیری و ید، کمترین واکنش‌پذیری را خواهد داشت. در برخی موارد، به هنگام واکنش، این عناصر، یون‌های منفی ایجاد می‌کنند. اولین تاثیر را این‌گونه می‌توان بیان کرد که کاهش واکنش‌پذیری از بالا به پایین به دلیل جاذبه کمتر الکترون ورودی توسط هسته، سبب می‌شود احتمال تشکیل یون منفی، کاهش پیدا کند. این توصیف، تا زمانی که اتم فلوئور را دخیل نکرده باشیم، منطقی به نظر می‌رسد.

یک واکنش کلی شامل مراحل مختلف به همراه تغییرات انرژی است و نمی‌توان یک روند را تنها با توصیف یکی از مراحل توجیه کرد. فلوئور، عنصری بسیار واکنش‌پذیرتر از کلر به شمار می‌آید زیرا انرژی آزاد شده در سایر مراحل واکنشِ آن، بیش‌تر از انرزی الکترون خواهی در این اتم است.

الکترون خواهی دوم

الکترون خواهی دوم را تنها در گروه ۱۶ و اتم‌های اکسیژن و گوگرد می‌توان پیدا کرد که هر دو، یون‌های با بار $$-2$$ تشکیل می‌دهند. الکترون‌خواهی دوم، به انرژی مورد نیاز برای اضافه کردن یک الکترون به ۱ مول از یون‌های $$-1$$ گازی و تولید ۱ مول یون با بار $$-2$$ گازی می‌گویند. البته برای تعریف ساده‌تر، بهتر است معادله شیمیایی زیر را در نظر بگیرید:

$$X ^ - (g) + e ^ - \rightarrow X ^ {-2} (g)$$

به عبارت دیگر، الکترون‌خواهی دوم به انرژی مورد نیاز برای اعمال تغییرات بالا در یک مول $$X ^ -$$ است. در حقیقت، با این کار، یک الکترون را به یونی منفی اضافه می‌کنیم و به همین دلیل، الکترون خواهی دوم $$(2nd EA)$$ مقداری مثبت خواهد داشت.

$$\begin {equation} \begin {array} {c} O _ { g } + e^{-} \rightarrow O ^ {-} (g) \quad 1 \text { st } \mathrm {E A } = -142 \mathrm{ k J } \mathrm {mol }^{-1} \\ O _{g}^{-}+ e^{-} \rightarrow O^ {2-} (g) \quad 2 \mathrm {n d} \mathrm {E A } =+844 \mathrm {k J } \mathrm {mol} ^ {-1} \end {array} \end {equation}$$

کاربردهای الکترون خواهی

فیلم مجموعه آموزش دروس شیمی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

از مقادیر الکترون‌خواهی برای توسعه مقیاسی از الکترونگاتیوی برای اتم‌ها و پتانسیل یونش استفاده شد. مفاهیم نظری دیگری که از الکترون‌خواهی استفاده می‌کنند شامل پتانسیل شیمیایی الکترونی و «سختی شیمیایی» (Chemical Hardness) است.

در مثالی دیگر، مولکول یا اتمی که مقدار مثبت‌تری از الکترون‌خواهی نسبت به دیگری داشته باشد موسوم به «الکترون‌گیرنده» (Electron Acceptor) و اگر این میزان، منفی‌تر باشد، اتم یا مولکول موسوم به «الکترون‌دهنده» (Electron Donor) است.

جمع‌بندی