전자친화도(Electron Affinity)의 뜻과 개념

전자친화도(Electron Affinity)의 뜻과 개념

전자친화도(Electron Affinity, EA)의 정의

 

전자친화도 말 그대로 원소와 전자의 친화도를 나타내는 개념입니다. 전자친화도는 기체 상태의 중성원자가 전자를 받아 음이온을 형성할 때 방출되는 에너지를 측정하여 정량화됩니다. 음이온을 형성하며 에너지를 방출하는 경우(발열반응) 음의 값을 가지며 에너지를 필요로 하는 경우(흡열반응) 양의 값을 가집니다.

 

전자친화도의 단위는 KJ·mol^-1로 표현됩니다.

 

M(g) + e^- → M^- (g) + EA(전자친화도)

 

중성 원자에서 전자가 첨가되어 음이온을 형성할 때 둘 이상의 전자가 관여할 수 있기 때문에, 전자 친화도는 음이온이 형성되는 순서(첨가되는 전자의 수)에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있습니다.

 

1차 전자친화도(EA1)는 하나의 전자가 중성 상태의 기체 원자에 첨가 될 때 방출되는 에너지입니다.

2차 전자친화도 (EA2)는 두 번째 전자가 기체 상태에서 음으로 하전 된(-) 원자에 첨가될 때 방출되는 에너지입니다.

 

이와 마찬가지로 기체 상태의 음으로 하전 된 원자에 대해 첨가되는 전자의 수에 따라 여러가지 전자 친화도가 가능합니다.

 

M(g) + e^– → M^–(g) + EA1 (1차 전자친화도)

 

M^–(g) + e^– → M^2-(g) + EA2 (2차 전자친화도)

 

M^2-(g) + e^– → M^3–(g) + EA3 (3차 전자친화도)

 

1차 전자친화도와 2차 전자친화도의 비교

 

2차 전자친화도(EA2)는 중성 상태의 원자가 아니라 음이온 상태에서 음전하를 가지는 전자를 추가할때의 에너지 변화량을 나타냅니다. 이미 음이온 상태에서 음전하를 추가하는 것이기 때문에 음전하끼리의 반발력을 극복해야 전자를 추가할 수 있습니다. 따라서 음의 값을 가지는 2차 전자친화도(EA1)와는 달리 2차 전자친화도는 양의 값을 가집니다. 예를 들어, 두 개의 전자를 추가하는 산소의 전자 친화도는 아래와 같습니다.

 

O(g) + e^– → O^–(g)     EA1 = -142 KJ mol^-1

 

O^–(g) + e^– → O^2-(g)    EA2 = + 844 KJ mol^-1

 

이를 보면 2차 전자친화도(EA2)가 1차 전자친화도(EA1)보다 훨씬 큰 양의 값을 가지는 것을 알 수 있습니다. 일반적으로 음이온 상태에서 다시 전자를 추가하기 위해서는 에너지를 필요로 하기 때문에 2차 전자 친화도는 양의 값을 가집니다.

 

1차 전자친화도

 

이온화 에너지는 항상 양이온의 형성과 관련이 있습니다. 이에 반해 전자 친화도는 음이온 당량으로 1 몰의 기체 상태의 원자에 1 몰의 전자를 첨가하여 1 몰의 음이온을 형성할때 필요한 또는 방출되는 에너지의 양으로 정의된다고 말씀드렸습니다. 이제 금속과 비금속 원소를 통해 1차 전자친화도를 비교해 보겠습니다.

 

나트륨(Na)의 1차 전자친화도 (EA1) = 53 kJ mol^-1

 

염소(Cl)의 1차 전자친화도 (EA1) = -349 kJ mol^-1

 

금속의 경우, 전자가 금속 원소에 첨가될 때 그 전자를 얻기 위해서는 에너지가 필요하기 때문에 금속의 1차 전자친화도는 양의 부호를 가지는 흡열반응입니다. 이는, 금속은 전자를 얻어 음이온이 되는것 보다 전자를 잃어 버리고 양이온을 형성하는 것이 더 쉽기 때문입니다. 금속의 핵은 원자가 전자를 강하게 당기지 않기 때문에 원자가 전자를 잃는 것이 더 쉽기 때문이기도 합니다. 이러한 이유로 다른 원소에 비해 금속 원소는 더 작은 전자 친화도를 갖는 것으로 알려져 있습니다.

 

비금속의 경우, 일반적으로 전자를 얻어 음이온을 형성할 때 에너지를 방출합니다. 따라서 비금속의 1차 전자친화도는 음의 부호를 가지며 발열반응이라 할 수 있습니다. 비금속은 금속보다 원자가 전자가 더 많기 때문에 비금속이 전자를 얻어 안정한 상태(옥텟)로 가는 것이 더 쉽습니다. 즉 비금속 원소의 원자가 전자는 떼어내기가 어려운 반면, 다른 원소에서 전자를 받아들이기가 더 쉽다는 것입니다. 이로 인해 비금속은 금속보다 전자 친화도가 높으며 음의 값을 가집니다.

 

 

 

금속과 비금속의 비교

 

 금속

 

금속은 원자가 전자를 잃어 양이온을 형성하여 안정적인 옥텟을 가지기 쉽습니다. 따라서 전자를 얻기 위해서는 에너지가 필요합니다. 몇몇 금속의 1차 전자친화도는 양의 부호를 가지기도 하며 대부분 그 크기는 비금속의 1차 전자친화도보다 작습니다. 참고로 수은은  모든 금속 중 전자를 끌어당기는 힘이 가장 작습니다.

 

 비금속

 

비금속은 전자를 얻음으로써 음이온을 형성하여 완전히 안정적인 옥텟을 갖기 쉽습니다. 따라서 전자를 얻어 음이온을 형성하며 에너지를 방출합니다. 따라서 비금속의 제 1 전자 친화도는 음의 부호이며 그 크기는 금속의 1차 전자 친화도보다 큽니다. 참고로 Cl(염소)의 전자친화도는 -349 kJ mol^-1 로 가장 큰 값을 가집니다.

 

금속과 비금속의 차이

 

주기율표에서 살펴보는 1차 전자친화도

 

주기율표로 살펴보는 1차 전자친화도

 

 

같은 족에서 주기가 감소할수록 전자친화도가 증가합니다. 즉, 같은 족에서 주기율표상 위쪽 방향으로 갈수록 전자친화도가 증가합니다. 같은 족에서 낮은 주기 원소의 전자와 원자핵의 거리는 상대적으로 가깝기 때문에 그만큼 인력이 강합니다. 따라서 전자가 최외각 껍질에 추가되게 되면 더 많은 에너지가 방출됩니다.

 

같은 주기에서 원자번호가 증가할수록 전자친화도는 증가합니다. 다만 안정한 비활성기체의 경우 최외각 전자껍질이 가득 차 있기 때문에 전자친화도는 거의 0에 가까운 값을 가집니다.

 

원자번호에 따른 전자친화도의 주기성

 

주기율표를 보면 대체로 오른쪽 상단에 위치한 원소의 전자친화도가 큰 것을 알 수 있습니다. 그리고 원자번호를 기준으로 전자친화도를 나타내면 어떠한 규칙이 있는 것을 알 수 있습니다. 원자번호에 따른 전자친화도의 주기성(규칙성)과 몇몇 예외에 대해서는 다른 글을 통해 설명드리겠습니다.

 

그렇다면 전자친화도는 왜 중요한가?

 

전자친화도의 정의를 보면, 기체상태의 중성 원자 또는 분자를 기준으로 측정된 값입니다. 기체가 아닌 액체나 고체의 경우 다른 원자 또는 분자와 상호작용하여 전자의 에너지 준위가 변할 수 있기 때문입니다. 얼핏 생각하면 기체 상태의 물질에 대해서만 적용할 수 있기 때문에 실제 상황에서 활용가치가 떨어지는 개념이라고 생각하기 쉽습니다.

 

그렇지만 전자친화도는 여전히 중요한 의미를 가집니다. 대표적으로는 루이스 산 또는 염기가 하전되거나 분극되는 정도를 나타내는 화학적 경도(hardness)를 측정하는데 사용됩니다. 전자친화도는 어떤 물질이 얼마나 더 쉽게 음이온이 되는지를 나타내는 척도이기 때문에 원자 또는 분자가 전자 수용체(전자 받개, acceptor)로 또는 전자 공여체(전자 주개, donor)로 작용할지 예측하는데 사용될 수 있습니다. 또 전하이동반응(Charge transfer reaction)에서 반응물이 반응에 직접 참여할지 예측하는데 사용될 수 있습니다.

 

참고 - 전자친화도의 부호에 대해서

 

전자친화도는 대부분 단위 몰당 열량인 kJ mol-1의 단위로 표기되나 가끔 단위가 없이 상대비교값을 표기하는 경우도 종종 있습니다. 다만 가끔씩 다른 글들을 보면 전자친화도의 값은 같지만 부호가 달라 전자친화도의 개념을 헷갈려 하는 학생들도 있습니다.

 

앞서 설명드렸듯이, 전자를 추가할 때 에너지를 방출하는 경우 에너지 준위가 낮아지는 것이기 때문에(ΔE < 0) 음의 부호를 가진다고 말씀드렸습니다. 그런데 간혹 전자친화도를 설명할 때 크기는 같지만 정 반대의 부호로 표기하겨 설명하는 경우가 있습니다. 이는 Eea를 기준으로 표기하여 나타나는 현상입니다. 여기서 Eea는 방출되는 에너지의 크기를 기준으로 하였기 때문에 이미 음의 부호를 내포하고 있습니다. 즉, 에너지 변화량 관점에서 에너지를 방출하는 경우 에너지 준위가 낮아지므로(발열) 음의 부호를 사용하지만 순수하게 방출된 에너지 크기의 관점에서는 음의 부호를 사용하지 않고 양수로 표현합니다. 이를 간단히 정리하면 아래와 같습니다.

 

ΔE = - Eea

 

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