Imagine maintenant que l'allée est un atome, que l'enfant est un noyau et que les chocolats sont les électrons. Quel est le rôle de la mère ? Gardons cette question pour plus tard.
Le noyau attire les électrons d'un atome (et vice versa). Lorsqu'il réussit à attirer un nouvel électron, l'atome devient un ion chargé négativement : un anion. Tu connais déjà le changement de charge d'un atome neutre lorsqu'un atome est accepté ou donné. Mais t'es-tu déjà demandé... Comment l'énergie de l'atome est-elle affectée ? Quels sont les facteurs qui régissent le changement d'énergie ?
Toutes ces questions sur ce qu'il advient du changement d'énergie lorsqu'un électron est ajouté à un atome sont traitées par le concept d'"affinité électronique".
- Dans cet article, nous allons voir la définition de l'affinité électronique et en quoi elle diffère de l'électronégativité.
- Ce qu'est la première affinité électronique et ce que sont les affinités électroniques successives.
- Les facteurs qui influencent l'affinité électronique, ainsi que les tendances périodiques observées.
- ainsi que les tendances des groupes 16 et 17
- Comparaison des affinités électroniques de F et de Cl du groupe 17.
- Exemples d'affinités électroniques dans différents contextes.
Définition de l'affinité électronique
Qu'est-ce que l'affinité électronique? L'affinité électronique est une mesure de l'attraction entre le noyau et l'électron entrant. Si tu as besoin d'un exemple terre à terre, souviens-toi du garçon et des chocolats. Avec cet exemple, nous avons compris que le mot affinité signifie attraction. L'attraction dont nous parlons, dans ce cas, est entre le noyau et l'électron entrant.
L'affinité électronique d'un atome est définie comme le changement d'énergie lorsqu'un électron est ajouté à un atome gazeux neutre formant un ion chargé négativement (anion).
Les valeurs d'affinité électronique peuvent être exothermiques ou endothermiques, selon le moment où tu ajoutes les électrons et ce à quoi tu les ajoutes. Par exemple :
- Est-ce que tu ajoutes un électron à l'atome neutre ou à un ion négatif (anion) ?
- Est-ce que tu ajoutes un électron à un métal ou à un non-métal ?
- L'atome est-il heureux d'accepter l'électron ou le forces-tu à y entrer alors qu'il est réticent ?
En fonction des réponses à ces questions, nous pouvons prédire si l'ajout de l'électron est associé à la libération ou à l'absorption d'énergie.
Sais-tu que tu peux aussi calculer les affinités électroniques des molécules ?
L'affinitéélectronique est un terme de chimie physique qui ne concerne pas toujours de simples atomes, mais souvent des molécules entières. Par exemple, la molécule organique benzène a une affinité électronique de -68 kJ mol-1. Lorsque nous définissons l'affinité électronique d'une molécule, il s'agit de la quantité d'énergie libérée pour la convertir en un ion moléculaire.
La génération d'ions moléculaires est d'une grande importance pour l'identification des composés organiques et inorganiques, ainsi que pour l'élucidation de leur structure (détermination de la façon dont les atomes sont liés les uns aux autres).
L'outil utilisé pour générer des ions moléculaires chargés négativement s'appelle la spectrométrie de masseen mode ion négatif . Il existe plusieurs techniques d'ionisation des molécules en ions correspondants, mais l'une des techniques les plus populaires de nos jours est la technique d'ionisation par pulvérisation d'électrons (ESI).
L'ESI permet de générer des ions. Une fois les ions formés, le spectromètre analyse le rapport masse/charge (m/z) et nous le présente sous la forme d'un graphique appelé spectre de masse. Dans un spectre de masse, le rapport m/z est représenté en fonction de l'intensité relative. La hauteur de chaque pic représente l'abondance relative.
Tu trouveras ci-dessous un exemple de spectre de masse de l'acétone. L'ion le plus abondant donne le pic de base (la ligne verticale rouge la plus longue).
Fig. 1 : Exemple de spectre de masse de l'acétone.
Équation de l'affinité électronique
L'affinité pour le premier électron (EA1) est le changement d'énergie associé à l'ajout d'une mole d'électrons à une mole d'atome neutre (à l'état gazeux) pour former une mole d'anions gazeux dans des conditions standard. Elle se mesure en kJ/mol.
En d'autres termes, tu prends un atome neutre, tu ajoutes un électron et de l'énergie est libérée à la suite de cet ajout. Cette libération d'énergie est la première affinité électronique. Les affinités du premier électron sont exothermiques et négatives en général.
Mettons la définition de l'affinité du premier électron sous la forme d'une équation. Considérons X comme un atome à l'état gazeux. Il accepte un électron et se transforme en anion.
\[ X_{(g)} + e^- = X^-_{(g)} + énergie \]
En utilisant la formule ci-dessus, tu peux écrire la première formule d'affinité électronique pour n'importe quel élément que tu souhaites.
Et si tu veux ajouter un autre électron à l'anion [\(X^-\)], c'est-à-dire quelles sont les caractéristiques de la deuxième affinité électronique ?
L'anion a déjà suffisamment de densité électronique. Il repousse le prochain électron entrant ; tu dois donc investir de l'énergie pour forcer un électron à entrer dans l'anion. Cela signifie que de l'énergie est absorbée et que le processus est endothermique parce que l'anion est réticent à prendre cet électron supplémentaire. Par conséquent, la deuxième affinité électronique et les affinités électroniques successives sont endothermiques.
L'équation représentant la deuxième affinité électronique de l'anion \(X^-\) peut être donnée comme suit :
\[ X^-_{(g)} + e^- = X^{2-}_{(g)} \]
Il est important de se rappeler que les affinités électroniques successives ne mesurent pas l'énergie globale libérée par l'ajout cumulatif de tous les électrons, mais plutôt juste l'électron en question. Par exemple, la deuxième affinité électronique n'est pas la valeur énergétique de l'ajout de deux électrons à un atome, mais plutôt juste l'énergie associée à l'ajout d'un deuxième électron supplémentaire à un ion qui a déjà pris le premier électron supplémentaire.
Facteurs influençant l'affinité électronique
Quatre facteurs influencent l'affinité des électrons :
- Charge nucléaire
- Configuration électronique
- Taille atomique
- Effet de blindage
Dans le diagramme suivant, tu peux voir un résumé des conditions qui donnent une plus grande affinité pour les électrons. Nous expliquerons plus loin ce que chaque facteur signifie et comment il influence l'affinité des électrons.
Charge nucléaire
Lacharge nucléaire représente les forces positives dans l'atome, comme le dicte le nombre de protons dans le noyau. Ce nombre peut être déterminé par le numéro atomique d'un élément.
Pour être plus précis, nous prenons en compte la charge nucléaire effective à laquelle l'électron serait soumis, mais pour l'instant, considérons qu'il s'agit du numéro atomique.
Plus la charge nucléaire est importante, plus l'attraction est forte et plus il est facile d'ajouter l'électron entrant.
Configuration électronique
Laconfiguration électronique fait référence à la façon dont les électrons sont disposés à l'intérieur d'un atome, plus précisément en ce qui concerne les niveaux d'énergie et les sous-coquilles. La configuration électronique est comme le code postal d'un électron dans un atome. Elle nous indique quelle sous-coquille d'une orbite l'électron occupe.
La configuration électronique est importante pour l'affinité électronique, car un élément ne peut accepter un électron que s'il y a de la "place" pour lui. Cela signifie que les atomes dont les coquilles ne sont pas remplies sont plus susceptibles d'accepter des électrons supplémentaires. Si un élément a un arrangement électronique stable tel qu'un octuor, il est très peu probable qu'un atome aussi stable accepte un électron supplémentaire.
Taille de l'atome
Plus la taille de l'atome est grande, plus la distance entre le noyau et la coquille de valence (la plus externe) est importante. La capacité du noyau à attirer les électrons vers lui sera moindre. Il est donc difficile d'introduire un électron dans les atomes de plus grande taille, ce qui signifie que l'énergie libérée sera moindre.
Ainsi, les atomes de plus petite taille ont une plus grande affinité avec les électrons parce qu'il est facile de placer un électron en raison de la plus grande force d'attraction du noyau. L'énergie libérée sera élevée, ce qui se traduira par des valeurs d'affinité électronique plus importantes.
Effet protecteur
Voici le rôle de la mère dont nous avons parlé au début de l'article. Le garçon a mangé du chocolat, il veut en reprendre. Elle l'empêche d'en prendre davantage en lui barrant la route vers l'étagère de chocolat en se plaçant entre les deux.
La mère représente l'ensemble des électrons des coques internes qui s'interposent entre le noyau et les électrons entrants. Les électrons internes réduisent l'attraction nucléaire en la protégeant et en repoussant les électrons entrants. Les électrons entrants doivent surmonter les forces de répulsion (résistance) pour s'asseoir dans la dernière enveloppe de l'atome.
En bref, l' effet deblindage diminue l'attraction entre le noyau et l'électron qui tente de rejoindre l'atome. En effet, les électrons internes ont une charge négative, la même que celle de l'électron entrant, ce qui fait qu'ils se repoussent l'un l'autre.
Plus l 'effet de blindage est important, plus l'ajout d'un électron supplémentaire est difficile et moins la libération d'énergie est importante, donc moins l'affinité de l'électron est grande.
Les atomes de plus grande taille ont plus d'électrons internes, et donc un effet de blindage plus important et des valeurs d'affinité électronique plus faibles.
Tendances de l'affinité électronique
Comme beaucoup d'autres caractéristiques atomiques, l'affinité électronique présente également des tendances à l'augmentation ou à la diminution dans le tableau périodique. Nous allons voir ici ce que sont les tendances de l'affinité électronique et comment les facteurs ci-dessus affectent les tendances lorsque tu te déplaces dans le tableau périodique.
Dans l'ensemble, les tendances générales sont les suivantes :
En traversant les périodes de gauche à droite, l'affinité électronique augmente.
En descendant d'un groupe, l'affinité électronique diminue.
Peux-tu voir comment les facteurs qui influencent l'affinité électronique, dont nous avons parlé dans la section ci-dessus, créent les tendances que nous observons dans le tableau périodique ?
Tableau des affinités électroniques
Tu trouveras ici untableau simple qui visualise les tendances observées avec l'affinité électronique. Il s'agit d'un tableau périodique qui montre comment les affinités électroniques des éléments diminuent et augmentent. Peux-tu imaginer comment les facteurs qui influencent l'affinité électronique se combinent pour créer ce paysage dynamique ?
L'affinité électronique augmente vers le haut dans un groupe et de gauche à droite dans une période parce que les éléments du haut ont un diamètre plus petit, c'est-à-dire moins d'électrons internes (moins d'effet de blindage) et le nouvel électron viendrait plus près du noyau (force d'attraction nucléaire plus élevée).
Tendances de l'affinité électronique des groupes 16 et 17
Legroupe 16, la famille de l'oxygène/chalcogènes, et le groupe 17, la famille du fluor/halogènes, sont des non-métaux. Il manque 2 électrons à la famille de l'oxygène pour atteindre la configuration de gaz noble, tandis qu'il manque un électron aux halogènes.
Les deux groupes ont une bonne affinité avec les électrons car ils sont désireux d'obtenir un octuor complet pour atteindre la stabilité. Nous allons donc examiner les tendances de l'affinité des électrons dans les groupes 16 et 17.
Commençons par comparer l'oxygène du groupe 16 et le fluor du groupe 17.
La figure montre le nombre de protons et d'électrons dans l'oxygène et le fluor respectivement. Observe que l'oxygène et le fluor ont le même nombre d'électrons internes (colorés en jaune) mais un nombre différent de protons - l'oxygène a 8 protons alors que le fluor en a 9.
L'effet protecteur est le même dans les deux cas en raison du même nombre d'électrons de l'enveloppe interne, mais comme le fluor possède un proton supplémentaire par rapport à l'oxygène, la charge nucléaire du fluor est plus importante ; il est donc facile d'insérer un électron dans l'enveloppe externe du fluor .
Sur la base de ces observations, nous pouvons dire que l'énergie libérée lors de l'insertion d'un électron dans le fluor est supérieure à celle de l'oxygène. Le fluor a donc une valeur d'affinité électronique élevée par rapport à l'oxygène.
La première affinité électronique de l'oxygène = -142 kJ mol-1
Fluor = - 328 kJmol-1
Tu dois faire attention à la signification du signe négatif. Il est simplement utilisé pour représenter la libération d'énergie. L'ampleur du nombre est prise en compte lors de la comparaison des valeurs ( 328 > 142 implique Eea Fluorine > Eea Oxygen).
Cette même observation indique que l'affinité des électrons augmente de gauche à droite au cours d'une période. Une autre conclusion que nous pouvons en tirer est que les métaux (les groupes 1 et 2, en particulier) ont des valeurs d'affinité électronique plus faibles parce qu'ils sont désireux de se débarrasser de leurs électrons pour atteindre la configuration de gaz noble. Il est donc difficile de leur arracher un électron supplémentaire. Tu devras investir de l'énergie pour y parvenir. Par conséquent, les valeurs EA seront endothermiques et positives.
Voici les valeurs EA des métaux alcalins du groupe 1[1].
- Lithium (Li) : 59,63 KJ mol-1
- Sodium (Na) : 52,86 KJ mol-1
- Potassium (K) : 48,38 KJ mol-1
- Rubidium (Rb) : 46,88 KJ mol-1
- Césium (Cs) : 45,50 KJ mol-1
Qu'arrive-t-il à la tendance de l'affinité électronique au fur et à mesure que l'on descend dans le groupe ?
Pour des raisons de commodité, considérons à nouveau les halogènes du groupe17, car ils acceptent volontiers un électron. En général, l'affinité électronique devrait diminuer à mesure que l'on descend dans le groupe. Mais remarque les valeurs EA[2] des halogènes ci-dessous.
- Fluor (F) -328 kJ-mol-1.
- Chlore (Cl) -349 kJ-mol-1.
- Brome (Br) -324 kJ-mol-1.
- Iode (I) -295 kJ-mol-1.
As-tu remarqué que le vilain fluor ne suit pas la tendance habituelle? Pourquoi ? Peux-tu jeter un coup d'œil aux facteurs dont nous avons parlé dans la section précédente et en déduire une raison ?
Eh bien, oui, si tu penses que la taille de l'atome en est la raison, tu as raison !
La taille de l'atome de fluor est inférieure à celle du chlore (tu te souviens ? la taille atomique augmente avec le groupe en raison de l'ajout d'une coquille supplémentaire) et les électrons sont très serrés dans le fluor. Une telle densité d'électrons est concentrée dans un petit espace. Cela provoque des répulsions entre les électrons existants et les nouveaux électrons qui arrivent. C'est une grande famille entassée dans une petite maison et si un nouveau membre arrive, elle devient trop encombrée. Ils font donc de leur mieux pour l'éviter (garde à l'esprit qu'il s'agit d'une comparaison avec le chlore, en général, le fluor est heureux d'accepter des électrons).
D'un autre côté, le chlore a plus de place que le fluor. L'électron entrant ne subira pas autant de répulsions qu'avec le fluor.
Maintenant, peux-tu dire quel est l'élément qui a l'affinité électronique la plus élevée dans le tableau périodique?
Oui, le chlore.
Autres exemples d'affinité électronique
Explorons des exemples de certains éléments avec leurs valeurs d'affinité électronique pour apprécier les différences dans leur comportement.
Chlore - Halogène - Groupe 17
\[ Cl_{(g)} + e^- = Cl^-_{(g)} \qquad \NDelta H^\circ = -349 \space kJmol^-1 \N]
Sodium - Métal alcalin - Groupe 1
\[Na_{(g)} + e^- = Na^-_{(g)} \qquad \Delta H^\circ = 52.8 \space kJmol^-1 \]
Béryllium - Métal alcalino-terreux - Groupe 2
\[Be_{(g)} + e^- = Be^-_{(g)} \qquad \NDelta H^\circ = 0 \space kJmol^-1 \N]
Néon - Gaz rare - Groupe 0
\[ Ne_{(g)} + e^- = \qquad \Delta H^\circ = 0 \space kJmol^-1 \]
Observe que nous avons pris différents éléments de différents groupes. Cela permet de comparer et d'expliquer à quel point les valeurs d'affinité électronique sont différentes les unes des autres dans les différents groupes. De plus, la nature et les caractéristiques physiques de chaque élément sont différentes, ce qui peut également servir de base pour expliquer pourquoi l'affinité électronique d'un certain élément est faible ou élevée.
Revenons sur les questions que nous avons posées dans la partie Définition de l'affinité électronique de cet article.
1. Est-ce que tu ajoutes un électron à l'atome neutre ou à un ion négatif (anion) ?
- Dans tous les exemples, nous avons considéré des atomes neutres. C'est donc à la première affinité électronique que nous faisons référence.
2. Est-ce que tu ajoutes un électron à un métal ou à un non-métal ?
- Le chlore est un non-métal, désireux d'accepter des électrons. Par conséquent, la valeur de l'affinité électronique (EA) est élevée et négative, ce qui explique la libération d'énergie.
- En revanche, le sodium et le be sont des métaux. Alors qu'il est assez difficile d'insérer un électron dans le sodium, il est presque impossible de le faire avec le Be (EA nulle). Les anions formés seront extrêmement instables. Par conséquent, les valeurs indiquent que l'EA est endothermique pour ces deux métaux.
- Le néon est un gaz noble. Eh bien, il se contente complètement d'une coquille de valence complète d'électrons, et donc d'aucune place vacante. Par conséquent, pour tous les gaz nobles, les valeurs d'EA sont nulles.
3. L'atome est-il heureux d'accepter l'électron ou lui imposes-tu un électron alors qu'il est réticent ?
- Le chlore est heureux d'accepter l'électron, mais nous devons ajouter de force un électron à tous les autres. C'estpourquoi le chlore est l'élément dont l'EA est le plus élevé, non seulement parmi les autres éléments de la liste, mais aussi dans l'ensemble du tableau périodique.
Affinité des électrons et électronégativité
En chimie physique, ces deux termes, électronégativité et affinité électronique, reviennent souvent et sont parfois utilisés dans des contextes similaires. Alors, que signifient-ils et quelle est leur différence ?
Nous savons, grâce aux sections précédentes de cet article, que l'affinité électronique fait référence à l'énergie quantifiée libérée lors de l'ajout d'un électron à un atome gazeux .
D'autre part, l 'électronégativité fait référence à la tendance des éléments à attirer et à conserver les électrons. La principale différence est que l'électronégativité se réfère à la façon dont les éléments agissent dans les molécules liées, et à la quantité d'électrons partagés liés qu'ils peuvent conserver. L'affinité pour les électrons fait référence à la capacité des éléments à libérer de l'énergie, montrant ainsi la facilité et la spontanéité de l'ajout d'un électron supplémentaire à un seul atome.
Une autre différence est que l'électronégativité est une valeur comprise entre 0 et 4,0, tandis que l'affinité électronique est une constante thermodynamique définie pour chaque élément en kJ par mole.
Dans cet article, tu devrais avoir compris le concept général de l'affinité électronique et ses tendances. Ce sujet peut être abordé partout où tu regardes, et d'un point de vue énergétique, il est utile de bien maîtriser ces concepts.
Il est intéressant de noter que l'élément ayant l'électro-négativité la plus élevée est le fluor et non le chlore. Le fluor a une plus grande tendance à accepter les électrons, mais la facilité d'insertion d'un électron est plus grande dans le chlore. Le fluor est comme cet enfant de 3 ans qui est impatient d'accepter des chocolats, mais sa mère ne le lui permet pas. En revanche, le chlore est comme un enfant de 15 ans. Personne ne l'empêche d'avoir des chocolats, il en a la facilité et la souplesse, mais il ne veut pas (par rapportau fluor).
Pour être précis , L'électronégativité est définie comme la tendance d'un atome à attirer vers lui une paire d'électrons deliaison. La différence entre les électronégativités des atomes reliés par une liaison dicte si la liaison est une liaison ionique, covalente polaire ou covalente non polaire .
Ilexiste deux échelles pour mesurer l'électronégativité qui sont basées sur le concept d'affinité électronique.
1. L'échelle de Mulliken
2. L'échelle de Pauling
L'échelle de Mulliken
L'échelle de Mulliken a été mise au point par Robert Mulliken qui a observé que les éléments ayant une grande énergie d'ionisation ont des affinités électroniques très exothermiques (négatives) et ont tendance à accepter des électrons au cours des réactions chimiques. Il a proposé que l'électronégativité soit une moyenne de l'énergie d'ionisation et de l'affinité électronique.
Il faut savoir que l'échelle de Mulliken prend en compte l'ampleur des valeurs, en ignorant les signes(+ et -).
Elle est donnée par la formule
\(X\) = \(\frac{IE_1 + EA} {2}\)
C'est ce qu'il a appelé l'électronégativité absolue.
L'échelle de Mulliken
Linus Pauling a décrit l'électronégativité comme la propriété d'un atome d'attirer vers lui une paire d'électrons de liaison.
L'échelle de Pauling est liée à l'échelle de Mulliken par l'expression suivante :
\(X\) = \(\frac{IE_1 + EA} {2\ fois 2,8}\).
Bien qu'il existe plusieurs autres échelles pour discuter de l'électronégativité, les échelles de Mulliken et de Pauling sont les plus courantes.
Affinité des électrons - Principaux points à retenir
- L'affinité électronique est l'énergie libérée (en kJ par mole) lorsqu'une mole d'atomes gazeux acquiert une mole d'électrons.
- La première affinité électronique des éléments est l'énergie libérée lorsqu'un atome neutre gagne un électron pour devenir un anion de charge -1.
- La formule de l'affinité du premier électron est la suivante : \( X_{(g)} + e^- = X^-_{(g)} + énergie \) . La première affinité électronique est exothermique et négative.
- Les affinités électroniques successives décrivent l'ajout d'un deuxième, d'un troisième... et ainsi de suite, d'un électron à l'atome en question. Les affinités électroniques successives sont généralement positives et endothermiques.
- Les facteurs qui influencent l'affinité électronique sont la configuration électronique, la taille atomique, la charge nucléaire et l'effet de blindage.
- Les tendances périodiques de l'affinité électronique sont les suivantes : en traversant les périodes de gauche à droite, l'affinité électronique augmente, tandis qu'en descendant d'un groupe, l'affinité électronique diminue.
Références
- https://www.rsc.org/periodic-table/element/3/lithium
- Harjeet Bassi, Nilpa Shah, Shelley Chu, Jim Clark, & Jim Clark , sous licence CC-BY 4.0(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), Chemistry Libretexts-Electron affinity
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