전자 친화도

전자 친화도는 중성 기체 원자가 전자 1개를 받아 기체 음이온이 될 때의 에너지 변화를 말합니다. 쉽게 말해, 기체 상태의 고립된 원자가 전자 1개를 추가로 받아들이는 것이 얼마나 유리한지를 나타냅니다.

한 가지 조건만 기억해야 한다면 이것을 기억하세요. 전자 친화도는 기체 상태의 원자에 대해 정의되며, 이미 결합 안에 있거나 용액 속에 있거나 고체 안에 있는 원자에는 그대로 적용되지 않습니다.

기본 과정은 다음과 같습니다.

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

이 과정에서 에너지가 방출되면, 첫 번째 전자 친화도는 유리하다고 말합니다. 어떤 표는 방출된 에너지를 양수로 나타내고, 다른 표는 과정 자체의 에너지 변화를 음수로 나타냅니다. 그래서 이 주제에서는 부호 규약이 매우 중요합니다.

전자 친화도가 측정하는 것

전자 친화도는 기체 상태의 단일 중성 원자에 전자 1개를 더하는 것에 관한 개념입니다. 실제 반응에서는 결합, 용매, 격자 에너지, 그 밖의 효과도 함께 작용하므로, 전자 친화도만으로 모든 실제 반응에서 무슨 일이 일어나는지를 직접 알려 주지는 않습니다.

또한 전자 친화도는 비슷한 개념들과 혼동하기 쉽습니다. 전자 친화도는 고립된 원자에 전자를 더하는 것에 관한 것입니다. 이는 결합에서 원자가 공유 전자를 얼마나 강하게 끌어당기는지를 나타내는 전기음성도와는 다릅니다.

부호 규약이 반대로 보일 수 있는 이유

교과서와 데이터 표마다 서로 다른 부호 규약을 사용할 수 있습니다.

어떤 표가 전자 친화도를 방출된 에너지로 나타내면, 더 유리한 값일수록 더 큰 양수로 보입니다. 반대로 과정의 에너지 변화 자체를 나타내면, 더 유리한 값일수록 더 큰 음수로 보입니다. 수치를 비교하기 전에, 자료가 어떤 규약을 쓰는지 먼저 확인하세요.

첫 번째 전자 친화도와 두 번째 전자 친화도는 같지 않다

첫 번째 전자 친화도는 중성 원자에 전자 1개를 더하는 경우입니다.

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

두 번째 전자 친화도는 이미 음이온인 종에 전자 1개를 더하는 경우입니다.

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

이 둘은 비슷한 단계가 아닙니다. 두 번째 단계는 들어오는 전자가 이미 음전하를 띠는 종에게 밀려나기 때문에, 보통 훨씬 덜 유리합니다.

예제: 염소

염소는 좋은 예입니다. 중성 염소 원자는 보통 전자 1개를 얻을 때 에너지를 방출합니다.

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

왜 이것이 유리할까요? 염소 원자의 원자가 전자 배치는 $3s^2 3p^5$이므로, 전자 1개를 더 받으면 $3s^2 3p^6$이 됩니다. 이렇게 되면 $3p$ 아껍질이 채워지고, 고립된 음이온의 에너지가 중성 원자만 보고 예상하는 것보다 더 낮아집니다.

이것이 염소가 모든 실제 화학적 환경에서 반드시 전자를 얻는다는 뜻은 아닙니다. 이것이 의미하는 바는 오직 고립된 기체 상태의 원자에 대해서는, 그 전자 1개의 추가가 에너지적으로 유리하다는 점입니다.

주기율표에서의 전자 친화도 경향

일반적으로 첫 번째 전자 친화도는 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 더 유리해집니다. 같은 족에서는 아래로 내려갈수록 덜 유리해지는 경우가 많지만, 그 패턴이 완전히 매끄럽지는 않습니다.

이 경향은 어디까지나 안내일 뿐입니다. 원자 크기, 아껍질 구조, 전자-전자 반발이 패턴을 바꿀 수 있습니다. 대표적인 예로, 염소는 같은 족에서 플루오린 아래에 있지만 첫 번째 전자 친화도는 플루오린보다 약간 더 유리합니다.

학생들이 자주 하는 실수

전자 친화도와 전기음성도를 혼동하기

전자 친화도는 고립된 원자가 전자 1개를 얻을 때의 에너지 변화입니다. 전기음성도는 결합에서 공유 전자를 끌어당기려는 원자의 경향입니다. 서로 관련은 있지만, 답하는 질문은 다릅니다.

이온화 에너지와 혼동하기

이온화 에너지는 전자 1개를 떼어내는 데 필요한 에너지입니다.

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

전자 친화도는 그 반대 방향입니다. 전자를 제거하는 것이 아니라 추가하기 때문입니다.

부호 규약을 무시하기

어떤 자료는 유리한 전자 친화도를 양수로 쓰고, 다른 자료는 음수로 쓸 수 있습니다. 이 경우 같은 화학 내용을 설명하고 있어도 수치가 서로 모순되어 보일 수 있습니다. 항상 표가 부호를 어떻게 정의하는지 확인하세요.

두 번째 전자도 같은 방식으로 작용한다고 가정하기

중성 원자에 전자 1개를 더하는 것과 음이온에 전자 1개를 더하는 것은 같은 단계가 아닙니다. 두 번째 추가는 고립된 종에서는 보통 훨씬 덜 유리합니다.

전자 친화도가 유용한 때

전자 친화도는 주기적 경향을 비교할 때, 어떤 원자가 다른 원자보다 더 쉽게 음이온을 형성하는 이유를 설명할 때, 또는 이 개념을 전기음성도와 이온화 에너지와 구별할 때 유용합니다.

특히 일반화학 입문에서는 모든 원자가 완벽한 경향을 따른다고 가정하지 않으면서도 직관을 키워 준다는 점에서 유용합니다.

이해했는지 빠르게 확인하는 방법

다음 두 가지를 물어보세요.

1. 나는 중성 기체 원자가 전자 1개를 얻는 상황을 말하고 있는가?
2. 내가 보는 자료는 방출된 에너지 값을 쓰는가, 아니면 부호가 있는 에너지 변화 값을 쓰는가?

이 두 가지가 분명하면, 이 개념은 보통 훨씬 해석하기 쉬워집니다.

비슷한 비교를 해 보자

염소의 첫 번째 전자 친화도를 나트륨과 비교해 보세요. 이 한 가지 대비만으로도 주기적 경향과 유리한 첫 번째 전자 친화도의 의미를 함께 점검할 수 있습니다.