Elektronenaffinität

Die Elektronenaffinität ist die Energieänderung, wenn ein neutrales gasförmiges Atom ein Elektron aufnimmt und dabei ein gasförmiges Anion bildet. Einfach gesagt zeigt sie, wie günstig es für ein isoliertes Atom in der Gasphase ist, ein zusätzliches Elektron aufzunehmen.

Wenn du dir nur eine Bedingung merkst, dann diese: Die Elektronenaffinität ist für ein gasförmiges Atom definiert, nicht für ein Atom, das sich bereits in einer Bindung, in einer Lösung oder in einem Feststoff befindet.

Der grundlegende Prozess ist:

$$\text{X}(g) + e^- \rightarrow \text{X}^-(g)$$

Wenn bei diesem Prozess Energie frei wird, ist die erste Elektronenaffinität günstig. Manche Tabellen geben diese frei werdende Energie als positive Zahl an, andere geben den Prozess als negative Energieänderung an. Deshalb ist die Vorzeichenkonvention bei diesem Thema so wichtig.

Was die Elektronenaffinität misst

Bei der Elektronenaffinität geht es um das Hinzufügen eines Elektrons zu einem einzelnen neutralen Atom in der Gasphase. Sie sagt dir nicht direkt, was in jeder realen Reaktion passiert, denn reale Reaktionen hängen auch von Bindungen, Lösungsmittel, Gitterenergie und anderen Effekten ab.

Man verwechselt die Elektronenaffinität auch leicht mit verwandten Begriffen. Die Elektronenaffinität beschreibt das Hinzufügen eines Elektrons zu einem isolierten Atom. Sie ist nicht dasselbe wie die Elektronegativität, die angibt, wie stark ein Atom gemeinsame Elektronen in einer Bindung anzieht.

Warum die Vorzeichenkonvention verkehrt wirken kann

Verschiedene Lehrbücher und Datentabellen verwenden unterschiedliche Vorzeichenkonventionen.

Wenn eine Tabelle die Elektronenaffinität als frei werdende Energie angibt, erscheint ein günstigerer Wert positiver. Wenn eine Tabelle die Energieänderung des Prozesses selbst angibt, erscheint ein günstigerer Wert negativer. Bevor du Zahlen vergleichst, prüfe immer, welche Konvention deine Quelle verwendet.

Erste und zweite Elektronenaffinität sind nicht dasselbe

Die erste Elektronenaffinität beschreibt das Hinzufügen eines Elektrons zu einem neutralen Atom:

$\text{X}(g) + e^- \rightarrow \text{X}^-(g)$

Die zweite Elektronenaffinität beschreibt das Hinzufügen eines Elektrons zu einem Anion:

$\text{X}^-(g) + e^- \rightarrow \text{X}^{2-}(g)$

Das sind keine ähnlichen Schritte. Der zweite Schritt ist meist deutlich weniger günstig, weil das ankommende Elektron von einem bereits negativ geladenen Teilchen abgestoßen wird.

Durchgerechnetes Beispiel: Chlor

Chlor ist ein gutes Beispiel, weil ein neutrales Chloratom normalerweise Energie freisetzt, wenn es ein Elektron aufnimmt:

$$\text{Cl}(g) + e^- \rightarrow \text{Cl}^-(g)$$

Warum ist das günstig? Ein Chloratom hat die Valenzkonfiguration $3s^2 3p^5$, daher führt die Aufnahme eines Elektrons zu $3s^2 3p^6$. Dadurch wird die $3p$-Unterschale aufgefüllt, und das isolierte Anion ist energieärmer, als man allein vom neutralen Atom erwarten würde.

Das bedeutet nicht, dass Chlor in jeder realen chemischen Umgebung ein Elektron aufnimmt. Es bedeutet nur, dass diese Aufnahme eines Elektrons für das isolierte Atom in der Gasphase energetisch günstig ist.

Trend der Elektronenaffinität im Periodensystem

Im Allgemeinen wird die erste Elektronenaffinität innerhalb einer Periode von links nach rechts günstiger. Innerhalb einer Gruppe wird sie nach unten hin oft weniger günstig, auch wenn das Muster nicht vollkommen gleichmäßig ist.

Dieser Trend ist nur eine Orientierung. Atomgröße, Unterschalenstruktur und Elektron-Elektron-Abstoßung können das Muster verändern. Ein Standardbeispiel ist, dass die erste Elektronenaffinität von Chlor etwas günstiger ist als die von Fluor, obwohl Fluor in derselben Gruppe über Chlor steht.

Häufige Fehler von Schülerinnen und Schülern

Elektronenaffinität mit Elektronegativität verwechseln

Die Elektronenaffinität ist eine Energieänderung, wenn ein isoliertes Atom ein Elektron aufnimmt. Die Elektronegativität ist die Tendenz eines Atoms, gemeinsame Elektronen in einer Bindung anzuziehen. Die Begriffe hängen zusammen, beantworten aber unterschiedliche Fragen.

Mit der Ionisierungsenergie verwechseln

Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron zu entfernen:

$$\text{X}(g) \rightarrow \text{X}^+(g) + e^-$$

Die Elektronenaffinität beschreibt den umgekehrten Fall, weil ein Elektron hinzugefügt und nicht entfernt wird.

Die Vorzeichenkonvention ignorieren

Wenn eine Quelle eine günstige Elektronenaffinität als positiv angibt und eine andere als negativ, können die Zahlen widersprüchlich wirken, obwohl sie dieselbe Chemie beschreiben. Prüfe immer, wie die Tabelle das Vorzeichen definiert.

Annehmen, dass das zweite Elektron genauso funktioniert

Ein Elektron zu einem neutralen Atom hinzuzufügen und eines zu einem Anion hinzuzufügen, sind keine gleichwertigen Schritte. Die zweite Aufnahme ist für ein isoliertes Teilchen meist deutlich weniger günstig.

Wann die Elektronenaffinität nützlich ist

Die Elektronenaffinität ist nützlich, wenn du periodische Trends vergleichst, erklärst, warum manche Atome leichter Anionen bilden als andere, oder diesen Begriff von Elektronegativität und Ionisierungsenergie abgrenzen willst.

Sie ist besonders in der Einführung in die Chemie hilfreich, weil sie ein Gefühl für Zusammenhänge vermittelt, ohne so zu tun, als würde jedes Atom einem perfekten Trend folgen.

Ein schneller Weg, dein Verständnis zu prüfen

Stelle dir zwei Fragen:

1. Spreche ich über ein neutrales gasförmiges Atom, das ein Elektron aufnimmt?
2. Verwendet meine Quelle Werte für frei werdende Energie oder vorzeichenbehaftete Energieänderungen?

Wenn beides klar ist, lässt sich das Konzept meist viel leichter deuten.

Probiere einen ähnlichen Vergleich

Vergleiche die erste Elektronenaffinität von Chlor mit der von Natrium. Dieser eine Gegensatz ist ein guter nächster Schritt, weil er sowohl den periodischen Trend als auch die Bedeutung einer günstigen ersten Elektronenaffinität prüft.