Энергия сродства к электрону

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.

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):

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].

Сродство к электрону ${\displaystyle E_{ea}}$ и важнейшие энергии в полупроводнике: ${\displaystyle E_{v}}$ — потолок валентной зоны, ${\displaystyle E_{c}}$ — дно зоны проводимости.

Зонная диаграмма области границы полупроводник — вакуум.

В физике твёрдого тела, в физике полупроводников и диэлектриков, под сродством к электрону понимается расстояние по энергии между краем зоны проводимости материала и минимальной энергией электрона в вакууме[2].

Это расстояние равно энергии, выделяющейся при перемещении электрона из вакуума (уровень энергии ${\displaystyle E_{vac}}$) в среду, с попаданием данного электрона на дно зоны проводимости ${\displaystyle E_{c}}$.

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 ${\displaystyle E_{ea}}$ (от англ. electron affinity):

${\displaystyle E_{ea}\equiv \chi =E_{vac}-E_{c}}$,

а единицей измерения выступает электрон-вольт.

Численные значения величины ${\displaystyle \chi }$ существенно отличаются от значений ${\displaystyle \varepsilon }$ для отдельных атомов того же вещества. Например, сродство к электрону в случае кремниевого кристалла составляет 4.05 эВ, а для атома 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 структур с полупроводниками используется понятие работы выхода. Последняя равна разности ${\displaystyle W=E_{vac}-E_{F}}$ между уровнем вакуума ${\displaystyle E_{vac}}$ 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 сменой положения ${\displaystyle E_{F}}$ по отношению к краям энергетических зон ${\displaystyle E_{v}}$, ${\displaystyle E_{c}}$.

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.