Энергия сродства к электрону

Эне́ргия сродства́ к электро́ну, или сродство к электрону — энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в процессе присоединения электрона к атому, молекуле или многоатомной системе.

В химии и атомной физике

Зависимость сродства к электрону атома от атомного номера элемента (экзоэнергетический эффект указан со знаком минус, эндоэнергетический эффект со знаком плюс)

Зависимость модуля энергии сродства к электрону (эВ) от атомного номера

В химии и атомной физике, под объектом, к которому будет присоединяться электрон, подразумевается свободный атом в его основном состоянии или молекула, превращающиеся при этом в отрицательный ион A⁻:

${\displaystyle {\mathsf {A+e^{-}\rightarrow A^{-}+\varepsilon }}.}$

Здесь ${\displaystyle \varepsilon }$ — энергия сродства к электрону.

Так понимаемое cродство к электрону численно равно и противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона. Оно выражается в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электрон-вольтах на атом (эВ/атом).

В отличие от ионизационного потенциала атома, имеющего всегда эндоэнергетическое значение, сродство атома к электрону описывается как экзоэнергетическими, так и эндоэнергетическими значениями.

Таблица 1 Энергия сродства некоторых атомов к электрону, эВ

Элемент	ε	Элемент	ε	Элемент	ε
H	0,7542	Na	0,548	K	0,502
He	-0,54	Mg	-0,4	Ca	-0,3
Li	0,618	Al	0,441	Sc	0,14
Be	-0,5	Si	1,385	Ti	-0,40
B	0,277	P	0,747	V	-0,94
C	1,263	S	2,077	Cr	-0,98
N	-0,07	Cl	3,617	Mn	1,07
О	1,461	Br	3,365	Fe	-0,58
F	3,399	I	3,06	Co	-0,94
Ne	-1,2(2)			Ni	-1,28
				Cu	-1,80

Сродство к электрону определяет окислительную способность частицы. Молекулы с большим сродством к электрону являются сильными окислителями. Наибольшим сродством к электрону обладают элементы 1 и 7 группы (p-элементы VII группы). Наименьшее сродство к электрону у атомов с конфигурацией s² (Be, Mg, Zn) и s²p⁶ (Ne, Ar) или с наполовину заполненными p-орбиталями (N, P, As):

Таблица 2

	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
Электронная конфигурация	s1	s2	s2p1	s2p2	s2p3	s2p4	s2p5	s2p6
ε, эВ	-0,59	0,19	-0,30	-1,27	0,21	-1,47	-3,45	0,22

Небольшие расхождения в цифрах между табл. 1 и табл. 2 обусловлены тем, что данные взяты из разных источников, а также погрешностью измерений.

Наибольшее значение сродства к электрону имеет гексафторид платины: 7,00±0,35 эВ^[1].

В физике твёрдого тела

Сродство к электрону ${\displaystyle E_{\text{EA}}}$ и важнейшие энергии в полупроводнике: ${\displaystyle E_{\text{V}}}$ — потолок валентной зоны, ${\displaystyle E_{\text{C}}}$ — дно зоны проводимости.

Зонная диаграмма области границы полупроводник — вакуум.

В физике твёрдого тела, в физике полупроводников и диэлектриков под сродством к электрону понимается разность между энергией края зоны проводимости материала и минимальной энергией электрона в вакууме^[2].

Эта разность равна энергии, выделяющейся при перемещении электрона из вакуума (уровень энергии ${\displaystyle E_{\text{VAC}}}$) в среду, с попаданием данного электрона по энергии на дно зоны проводимости ${\displaystyle E_{\text{C}}}$.

В таком случае объектом, принимающим электрон, становится не отдельный атом или молекула, а толща материала. Для энергии сродства к электрону в физике твёрдого тела используется обозначение ${\displaystyle \chi }$ или ${\displaystyle E_{\text{EA}}}$ (от англ. electron affinity) а в качестве единицы измерения обычно используется электрон-вольт:

${\displaystyle E_{\text{EA}}\equiv \chi =E_{\text{VAC}}-E_{\text{C}}.}$

Численные значения величины ${\displaystyle \chi }$ существенно отличаются от значений ${\displaystyle \varepsilon }$ для отдельных атомов того же вещества. Например, сродство к электрону к кремниевому кристаллу составляет 4,05 эВ, а к изолированному атому кремния 1,39 эВ/атом.

Знание величин ${\displaystyle \chi }$ важно для построения энергетических зонных диаграмм многослойных гетероструктур, так как от этих величин зависит разрыв зон на гетерограницах.

Наряду со сродством к электрону при изучении полупроводниковых структур используется понятие работы выхода, равной разности ${\displaystyle W=E_{\text{VAC}}-E_{\text{F}}}$ между уровнем вакуума ${\displaystyle E_{\text{VAC}}}$ и энергией Ферми вблизи поверхности рассматриваемого материала. При этом, если ${\displaystyle \chi }$ практически не зависит от концентрации легирующих примесей и наличия внешнего напряжения, то ${\displaystyle W}$ может варьироваться. Такое варьирование обусловлено изменением положения ${\displaystyle E_{\text{F}}}$ по отношению к краям энергетических зон ${\displaystyle E_{\text{V}}}$, ${\displaystyle E_{\text{C}}}$, зависящего, например, от степени легирования.

Примечания

1. Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4 (Пол-Три). — 639 с. — ISBN 5-82270-092-4.
2. Глазков В. Н. Контактные явления в полупроводниках. Построение энергетических диаграмм контактов полупроводников (заметки к лекциям по общей физике)  (неопр.). MФТИ (2018). — см. стр. 5. Дата обращения: 26 сентября 2021. Архивировано 25 января 2022 года.

Литература

1. Ахметов Н. С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. — М.: Просвещение, 1991. — 224 с. ISBN 5-09-002630-0
2. Корольков Д. В. Основы неорганической химии. — М.: Просвещение, 1982. — 271 с.