Ahora imagina que el pasillo es un átomo, el niño es un núcleo y los bombones son los electrones. ¿Cuál es el papel de la madre? Dejemos eso para más adelante.
El núcleo atrae a los electrones de un átomo (y viceversa). Cuando consigue atraer un nuevo electrón, el átomo se convierte en un ion cargado negativamente: un anión. Ya conoces el cambio de carga de un átomo neutro cuando se acepta o se da un átomo. Pero te has preguntado alguna vez... ¿Cómo se ve afectada la energía del átomo? ¿Qué factores rigen el cambio de energía?
Todas estas preguntas sobre lo que ocurre con el cambio de energía cuando se añade un electrón a un átomo se tratan con el concepto de "afinidad electrónica".
- En este artículo repasaremos la definición de afinidad electrónica y en qué se diferencia de la electronegatividad.
- Qué es la primera afinidad electrónica y cuáles son las afinidades electrónicas sucesivas.
- Los factores que influyen en la afinidad electrónica, así como las tendencias periódicas observadas.
- Junto con las tendencias de los Grupos 16 y 17
- Comparación de las afinidades electrónicas del F y el Cl del grupo 17
- Ejemplos de afinidades electrónicas en diferentes contextos.
Definición de afinidad electrónica
¿Qué es la afinidad electrónica? La afinidad electrónica es una medida de la atracción entre el núcleo y el electrón entrante. Si necesitas un ejemplo realista, acuérdate del niño y los bombones. Con este ejemplo, comprendimos que la palabra afinidad significa atracción. La atracción de la que hablamos, en este caso, es entre el núcleo y el electrón entrante.
La afinidad electrónica de un átomo se define como el cambio en la energía cuando se añade un electrón a un átomo gaseoso neutro formando un ion cargado negativamente (anión).
Los valores de afinidad electrónica pueden ser exotérmicos o endotérmicos, dependiendo de cuándo se añaden los electrones y a qué se añaden. Por ejemplo:
- ¿Estás añadiendo un electrón al átomo neutro o a un ion negativo (anión)?
- ¿Estás añadiendo un electrón a un metal o a un no metal?
- ¿El átomo está dispuesto a aceptar el electrón o estás forzando la entrada de un electrón cuando es reacio?
Basándonos en las respuestas a estas preguntas, podemos predecir si la adición del electrón está asociada a la liberación o a la absorción de energía.
¿Sabías que también puedes calcular las afinidades electrónicas de las moléculas?
La afinidadelectrónica es un término físico-químico que no siempre se refiere a átomos individuales, sino a menudo a moléculas enteras. Por ejemplo, la molécula orgánica benceno tiene una afinidad electrónica de -68 kJ mol-1. Cuando definimos la afinidad electrónica de una molécula, se trata de la cantidad de energía liberada para convertirla en un ion molecular.
La generación de iones moleculares es de gran importancia para la identificación de compuestos orgánicos e inorgánicos y también para su elucidación estructural (determinar cómo se enlazan los átomos entre sí).
Laherramienta empleada para generar iones moleculares cargados negativamente se denomina espectrometría de masas enmodo iónico negativo . Existen varias técnicas para la ionización de moléculas en los iones correspondientes, pero una de las más populares en la actualidad es la técnica de ionización por pulverización de electrones (ESI).
Mediante la ESI se generan iones. Una vez formados los iones, el espectrómetro analiza la relación masa-carga (m/z) y nos la presenta en forma de un gráfico llamado espectro de masas. En un espectro de masas, la relación m/z se representa gráficamente frente a la intensidad relativa. La altura de cada pico representa la abundancia relativa.
A continuación se muestra un ejemplo de espectro de masas de acetona. El ion más abundante da el pico base (la línea vertical roja más larga).
Fig. 1: Ejemplo de espectro de masas de acetona.
Ecuación de afinidad de electrones
La afinidad del primer electrón (EA1) es el cambio de energía asociado a la adición de un mol de electrones a un mol de un átomo neutro (en estado gaseoso) para formar un mol de aniones gaseosos en condiciones estándar. Se mide en kJ/mol.
En otras palabras, tomas un átomo neutro, le añades un electrón y se libera energía como resultado de esta adición. Esta liberación de energía es la primera afinidad electrónica. Las afinidades de primer electrón son exotérmicas y negativas en general.
Pongamos la definición de afinidad de primer electrón en forma de ecuación. Consideremos que X es un átomo en estado gaseoso. Acepta un electrón y se transforma en un anión.
\[ X_{(g)} + e^- = X^-_{(g)} + energía \]
Utilizando la fórmula anterior, puedes escribir la fórmula de afinidad del primer electrón para cualquier elemento que desees.
¿Y si quieres añadir otro electrón al anión [\(X^-\)], es decir, qué características tiene la segunda afinidad electrónica?
El anión ya tiene suficiente densidad electrónica. Repele al siguiente electrón entrante; por tanto, tendrías que invertir energía para forzar la entrada de un electrón en el anión. Esto significa que se absorbe energía, y el proceso es endotérmico porque el anión es reacio a aceptar ese electrón extra. Por tanto, la segunda afinidad electrónica y las afinidades electrónicas sucesivas son endotérmicas.
La ecuación para representar la segunda afinidad electrónica del anión \(X^-\) puede darse de la siguiente manera:
\[ X^-_{(g)} + e^- = X^{2-}_{(g)} \]
Es importante recordar que las afinidades electrónicas sucesivas no miden la energía global liberada por la adición acumulativa de todos los electrones, sino sólo la del electrón en cuestión. Por ejemplo, la segunda afinidad electrónica no es el valor energético de añadir dos electrones a un átomo, sino sólo la energía asociada a la adición de un segundo electrón extra a un ion que ya ha tomado el primer electrón extra.
Factores que afectan a la afinidad electrónica
Hay cuatro factores que influyen en la afinidad de los electrones:
- Carga nuclear
- Configuración electrónica
- Tamaño atómico
- Efecto de apantallamiento
En el diagrama siguiente puedes ver un resumen de qué condiciones dan una mayor afinidad electrónica. A continuación explicaremos con más detalle qué significa cada factor y cómo influye en la afinidad de los electrones.
Carga nuclear
Lacarga nuclear representa las fuerzas positivas del átomo, dictadas por el número de protones del núcleo. Esto puede determinarse mediante el número atómico de un elemento.
Para ser más precisos, tenemos en cuenta la carga nuclear efectiva a la que estaría sometido el electrón, pero por ahora, tratémosla como el número atómico.
Cuanto mayor sea la carga nuclear, más fuerte será la atracción y más fácil será añadir el electrón entrante.
Configuración electrónica
La configuraciónelectrónica se refiere a la forma en que están dispuestos los electrones dentro de un átomo, más concretamente en lo que se refiere a los niveles de energía y lassubcáscaras. La configuración electrónica es como el código postal de un electrón en un átomo. Nos dice qué subcáscara de una órbita ocupa el electrón.
La configuración electrónica es importante para la afinidad electrónica, ya que un elemento sólo puede aceptar un electrón si hay "espacio" para él. Esto significa que los átomos que tienen caparazones sin llenar tienen más probabilidades de aceptar electrones adicionales. Si un elemento tiene una disposición electrónica estable, como un octeto, es muy poco probable que un átomo tan estable acepte un electrón extra.
Tamaño atómico
Cuanto mayor es el tamaño atómico, mayor es la distancia entre el núcleo y la capa de valencia (la más externa). La capacidad del núcleo para atraer hacia sí a los electrones será menor. Por tanto, es difícil introducir un electrón en los átomos de mayor tamaño, lo que significa que la energía liberada será menor.
Así, los átomos de menor tamaño tienen mayor afinidad por los electrones debido a la facilidad para colocar un electrón debido a la mayor atracción nuclear. La energía liberada será elevada, por lo que los valores de afinidad electrónica serán mayores.
Efecto de blindaje
Aquí entra en juego el papel de la mamá del que hablamos al principio del artículo. El niño ha comido chocolate y quiere comer más. Ella le impide coger más impidiéndole el paso al estante del chocolate interponiéndose entre ambos.
La mamá representa el conjunto de electrones de las capas internas que se interponen entre el núcleo y los electrones entrantes. Los electrones internos reducen la atracción nuclear protegiéndola y repeliendo a los electrones entrantes. Los electrones entrantes tienen que superar las fuerzas de repulsión (resistencia) para ocupar un asiento en la última envoltura del átomo.
Enresumen, el efecto de apantallamiento disminuye la atracción entre el núcleo y el electrón que intenta unirse al átomo. Esto se debe a que los electrones internos tienen carga negativa, la misma que el electrón entrante, lo que hace que se repelan.
Cuanto mayor sea el efecto de apantallamiento, mayor será la dificultad de la adición de un electrón adicional y menor la liberación de energía, por lo que menor será la afinidad del electrón.
Los átomos de mayor tamaño tienen más electrones internos y, por tanto, mayor efecto de apantallamiento y menores valores de afinidad electrónica.
Tendencias de la afinidad electrónica
Como ocurre con muchas otras características atómicas, la afinidad electrónica también presenta tendencias de aumento/disminución en la tabla periódica. Aquí repasaremos qué son las tendencias de la afinidad electrónica y cómo afectan los factores anteriores a las tendencias cuando te desplazas por la tabla periódica.
En conjunto, las tendencias generales son:
Al recorrer los periodos de izquierda a derecha, la afinidad electrónica aumenta.
Bajando de grupo, la afinidad electrónica disminuye.
¿Puedes ver cómo los factores que influyen en la afinidad electrónica, de los que hemos hablado en el apartado anterior, crean las tendencias que observamos en la tabla periódica?
Tabla de afinidad de electrones
Aquí puedes encontrar un sencillo gráfico que visualiza las tendencias observadas con afinidad de electrones. Es una tabla periódica que muestra en qué sentido disminuyen y aumentan las afinidades electrónicas de los elementos. ¿Puedes especular cómo se unen los factores que influyen en la afinidad electrónica para crear este paisaje dinámico?
La afinidad de electrones aumenta hacia arriba en un grupo y de izquierda a derecha en un periodo porque los elementos superiores tienen un diámetro menor, es decir, menos electrones internos (menor efecto de apantallamiento) y el nuevo electrón se acercaría más al núcleo (mayor fuerza de atracción nuclear).
Tendencias en la afinidad de electrones de los grupos 16 y 17
El grupo 16, la familiadel oxígeno/calcógenos, y el grupo 17, la familia del flúor/halógenos, son no metales. A la familia del oxígeno le faltan 2 electrones para alcanzar la configuración de gas noble, mientras que a los halógenos les falta un electrón.
Ambos grupos tienen una buena afinidad hacia los electrones, ya que están ansiosos por conseguir un octeto completo para alcanzar la estabilidad. Por tanto, examinaremos las tendencias de la afinidad electrónica en los Grupos 16 y 17.
Empecemos comparando el Oxígeno del grupo 16 y el Flúor del grupo 17.
La figura muestra el número de protones y electrones del oxígeno y del flúor respectivamente. Observa que tanto el Oxígeno como el Flúor tienen el mismo número de electrones internos (coloreados en amarillo), pero un número diferente de protones: el Oxígeno tiene 8, mientras que el Flúor tiene 9 protones.
El efecto de apantallamiento es el mismo en ambos debido al mismo número de electrones de la capa interna, pero como el Flúor tiene un protón más que el oxígeno, la carga nuclear del Flúor es mayor, por lo que es fácil introducir un electrón en la capa externa del Flúor.
Basándonos en estas observaciones, podemos decir que la energía liberada al insertar un electrón es el Flúor es mayor que la del oxígeno. Así pues, el Flúor tiene un valor de afinidad electrónica elevado en comparación con el oxígeno.
La primera afinidad electrónica del Oxígeno = -142 kJ mol-1
Flúor = - 328 kJmol-1
Debes tener cuidado al comprender el significado del signo negativo aquí. Sólo se utiliza para representar la liberación de energía. La magnitud del número se tiene en cuenta al comparar los valores ( 328 > 142 implica Eea Flúor > Eea Oxígeno)
Esta misma observación dicta que la afinidad electrónica aumenta de izquierda a derecha a lo largo de un periodo. Otra conclusión que podemos extraer de esto es que los metales (grupos 1 y 2, especialmente) tienen valores de afinidad electrónica más bajos porque están ansiosos por deshacerse de electrones para alcanzar la configuración de gas noble. Por tanto, es difícil introducir en ellos un electrón adicional. Tendrás que invertir energía para hacerlo. Por tanto, los valores de EA serán endotérmicos y positivos.
A continuación se muestran los valores de EA de los metales alcalinos del grupo 1.[1]
- Litio (Li): 59,63 KJ mol-1
- Sodio (Na): 52,86 KJ mol-1
- Potasio (K) 48,38 KJ mol-1
- Rubidio (Rb): 46,88 KJ mol-1
- Cesio (Cs): 45,50 KJ mol-1
¿Qué ocurre con la tendencia de la afinidad electrónica a medida que descendemos en el grupo?
Por comodidad, consideremos de nuevo elgrupo-17/halógenos, ya que están dispuestos a aceptar un electrón. En general, la afinidad electrónica debería disminuir a medida que descendemos en el grupo. Pero fíjate en los valores de EA[2 ] de los halógenos que aparecen a continuación.
- Flúor (F) -328 kJ-mol-1.
- Cloro (Cl) -349 kJ-mol-1.
- Bromo (Br) -324 kJ-mol-1.
- Yodo (I) -295 kJ-mol-1.
¿Te has dado cuenta de que el travieso Flúor no sigue la tendencia habitual? ¿Por qué? ¿Puedes echar un vistazo a los factores que hemos discutido en la sección anterior y deducir una razón?
Pues sí, si estás pensando que la razón es el tamaño atómico, ¡tienes razón!
El tamaño del átomo de flúor es menor que el del cloro (¿recuerdas? el tamaño atómico aumenta a medida que se desciende en el grupo debido a la adición de una capa adicional) y los electrones están muy apretados en el flúor. Hay tanta densidad de electrones en un espacio tan pequeño. Esto provoca repulsiones entre los electrones existentes y el nuevo electrón entrante. Es una gran familia hacinada en una casa pequeña y, si llega un nuevo miembro, se llena demasiado. Así que hacen todo lo posible por evitarlo (ten en cuenta que esto es en comparación con el cloro, en general el flúor está encantado de aceptar electrones).
Por otro lado, el cloro tiene más espacio que el Flúor. El electrón entrante no experimentará tantas repulsiones como con el Flúor.
Ahora, ¿puedes decir qué elemento tiene la mayor afinidad electrónica de la tabla periódica?
Sí, el Cloro.
Más ejemplos de afinidad electrónica
Exploremos ejemplos de algunos elementos junto con sus valores de afinidad electrónica para apreciar las diferencias en su comportamiento.
Cloro - Halógeno - Grupo 17
\Cl_{(g)} + e^- = Cl^-_{(g)} \qquad \Delta H^\circ = -349 \space kJmol^-1 \].
Sodio- Metal alcalino- Grupo 1
\Na_(g)} + e^- = Na^-_(g)} \qquad \Delta H^\circ = 52,8 \space kJmol^-1 \]
Berilio- Metal alcalinotérreo- Grupo 2
\Be_{(g)} + e^- = Be^-_{(g)} \qquad \Delta H^\circ = 0 \space kJmol^-1 \]
Neón- Gas noble- Grupo 0
\[ Ne_{(g)} + e^- = \qquad \Delta H^\circ = 0 \space kJmol^-1 \]
Observa que hemos tomado diferentes elementos de diferentes grupos. Esto es para comparar y explicar lo diferentes que son los valores de afinidad electrónica entre distintos grupos. Además, la naturaleza y las características físicas de cada elemento son diferentes, lo que también puede servir de base para explicar por qué la afinidad electrónica de un determinado elemento es baja o alta.
Volvamos a las preguntas que planteamos en la parte de este artículo dedicada a la definición de la afinidad de los electrones.
1. ¿Estás añadiendo un electrón al átomo neutro o a un ion negativo (anión)?
- En todos los ejemplos, hemos considerado átomos neutros. Por tanto, ésta es la primera afinidad de electrones a la que nos referimos.
2. ¿Estás añadiendo un electrón a un metal o a un no metal?
- El cloro es un no metal, deseoso de aceptar electrones. Por tanto, el valor de afinidad electrónica (EA) es alto y negativo, lo que explica la liberación de energía.
- En cambio, el Sodio y el Be son metales. Mientras que es bastante difícil insertar un electrón en el sodio, es casi imposible hacerlo con el Be (EA cero). Los aniones formados serán extremadamente inestables. Por lo tanto, los valores representan que la EA es endotérmica para estos dos metales.
- En cuanto al Neón, es un gas noble. Tiene una cáscara de valencia completa de electrones y, por tanto, ningún asiento vacante. Por tanto, para todos los gases nobles, los valores de EA son cero.
3. ¿El átomo está contento de aceptar el electrón o le estás forzando a introducir un electrón mientras se muestra reacio?
- El cloro acepta de buen grado el electrón, pero a todos los demás tenemos que añadirles un electrón a la fuerza. De ahí que el cloro sea el elemento con mayor EA no sólo entre los demás de la lista, sino en toda latabla periódica.
Afinidad de electrones vs. Electronegatividad
En fisicoquímica, estos dos términos, electronegatividad y afinidad electrónica, aparecen a menudo y a veces se utilizan en contextos similares. Entonces, ¿qué significan y cuál es su diferencia?
Sabemos por secciones anteriores de este artículo que la afinidadelectrónica se refiere a la energía cuantificada que se libera al añadir un electrón a un átomo gaseoso.
Encambio , laelectronegatividad se refiere a la tendencia de los elementos a atraer y retener electrones. La principal diferencia es que la electronegatividad se refiere a cómo actúan los elementos en las moléculas enlazadas, y a cuántos electrones compartidos pueden retener. La afinidad electrónica se refiere a la capacidad de los elementos para liberar energía, mostrando así la facilidad y espontaneidad, de añadir un electrón extra al átomo único.
Otra diferencia es que la electronegatividad es un valor de 0 a 4,0, mientras que la afinidad electrónica es una constante termodinámica definida para cada elemento en kJ por mol.
En este artículo, deberías haber comprendido el concepto general de afinidad electrónica y sus tendencias. En realidad, este tema puede surgir dondequiera que mires, y energéticamente estos conceptos te serán útiles para tenerlos bien dominados.
Es interesante observar que el elemento con mayor electronegatividad es el Flúor y no el cloro. El flúor tiene mayor tendencia a aceptar electrones, pero la facilidad para insertar un electrón es mayor en el cloro. El flúor es como ese niño de 3 años que está deseando aceptar bombones, pero su madre no se lo permite. En cambio, el cloro es como un niño de 15 años. Nadie le impide comer bombones, tiene facilidad y flexibilidad, pero no quiere (en comparación con el Flúor).
Para ser precisos, La electronegatividad se define como la tendencia de un átomo a atraer hacia sí un par de electrones deenlace. La diferencia de electronegatividades de los átomos conectados en un enlace dicta si éste es un enlace iónico, covalente polar o covalente no polar .
Existen dos escalas para medir la electronegatividad que se basan en el concepto de afinidad de electrones.
1. Escala de Mulliken
2. Escala de Pauling
Escala de Mulliken
La escala de Mullikenfue desarrollada por Robert Mulliken, que observó que los elementos con grandes energías de ionización tienen afinidades electrónicas muy exotérmicas (negativas) y tienen tendencia a aceptar electrones durante las reacciones químicas. Propuso que la electronegatividad es una media de la energía de ionización y la afinidad electrónica.
Hay que tener en cuenta que la escala de Mulliken considera la magnitud de los valores, ignorando los signos(+ y -)
Viene dada por la fórmula
\(X\) = \(\frac{IE_1 + EA} {2}\)
Lo denominó electronegatividad absoluta.
Escala de Mulliken
Linus Pauling describió la electronegatividad como la propiedad de un átomo de atraer hacia sí un par de electrones de enlace.
La escala de Pauling se relaciona con la escala de Mulliken mediante la expresión
\(X\) = \(\frac{IE_1 + EA} {2\veces 2,8}\)
Aunque existen otras escalas para discutir la electronegatividad, las de Mulliken y Pauling son las más comunes.
Afinidad de electrones - Puntos clave
- La afinidad electrónica es la energía liberada (en kJ por mol) cuando un mol de átomos gaseosos adquiere un mol de electrones.
- La primera afinidad electrónica de los elementos es la energía liberada cuando un átomo neutro gana un electrón para convertirse en un anión con carga -1.
- La fórmula de la primera afinidad electrónica es \( X_{(g)} + e^- = X^-_{(g)} + energía \) . La primera afinidad electrónica es exotérmica y negativa.
- Las afinidades electrónicas sucesivas describen la adición de un segundo, tercer... y así sucesivamente, electrón al átomo en cuestión. Las afinidades electrónicas sucesivas suelen ser positivas y endotérmicas.
- Los factores que influyen en la afinidad electrónica son la configuración electrónica, el tamaño atómico, la carga nuclear y el efecto de apantallamiento.
- Las tendencias periódicas de la afinidad electrónica son: al atravesar periodos de izquierda a derecha, la afinidad electrónica aumenta, mientras que al descender un grupo, la afinidad electrónica disminuye.
Referencias
- https://www.rsc.org/periodic-table/element/3/lithium
- Harjeet Bassi, Nilpa Shah, Shelley Chu, Jim Clark, & Jim Clark , bajo licencia CC-BY 4.0(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), Libretextos de Química-Afinidad de electrones
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