Minkä takia elektroniaffiniteetti on toisilla atomeilla positiivinen (esim. Mg +14) ja toisilla negatiivinen (esim. Cl −349)? Ionisaatioenergia kun on aina positiivinen, vaikka tilanne on melkein sama, mutta päinvastainen.
Määritellään aluksi lyhyesti kysymyksessä esiintyvät käsitteet:
Ionisaatioenergiaksi kutsutaan energiamäärää, joka tarvitaan irrottamaan neutraalin atomin uloin (eli korkeimmalla energiatilalla oleva) elektroni. Koska neutraalin perustilallaan olevan atomin elektronikonfiguraatio vastaa energian minimiä, on systeemiin tuotava energiaa elektronin irrottamiseksi ja siten ionisaatioenergia on aina positiivinen.
Voidaan sanoa, että ionisaatioenergia mittaa neutraalin atomin vastusta elektronin menettämiselle. Jaksollisessa järjestelmässä ionisaatioenergiat kasvavat siirryttäessä riveillä vasemmalta oikealle ja sarakkeessa alhaalta yläspäin.
Pienimmät ionisaatioenergiat ovat alkalimetalleilla, jotka helposti luopuvat yksinäisestä valenssielektronistaan.
Elektroniaffiniteetti on energiamäärä, joka vapautuu, kun neutraali atomi vastaanottaa elektronin ja muodostaa negatiivisesti varatun ionin. Jaksollisessa järjestelmässä elektroniaffiniteetti kasvaa siirryttäessä riveillä vasemmalta oikealle ja sarakkeessa ylhäältä alaspäin.
Tyypillisiä esimerkkejä suuren elektroniaffiniteetin alkuaineista ovat halogeenit, jotka yhden elektronin vastaanottamalla saavuttavat energeettisesti edullisen jalokaasuja vastaavan elektronikonfiguraation. Koska energiaa tässä prosessissa yleensä vapautuu, on elektroniaffiniteetti yleensä negatiivinen.
Nyt voimme siirtyä varsinaiseen kysymykseen, eli miksi elektroniaffiniteetin etumerkki joskus muuttuu? Positiivinen elektroniaffiniteetti tarkoittaa sitä, että negatiivisen ionin muodostaminen ei ole atomille energeettisesti edullista, eikä näin ollen vapauta vaan vaatii energiaa.
Eräillä aineilla, kuten heliumilla, berylliumilla, typellä ja kysymyksessä mainitulla magnesiumilla perustilaa vastaava elektronikonfiguraatio on poikkeuksellisen stabiili, eikä uuden elektronin vastaanottamisesta ole energeettistä hyötyä, vaan negatiivisen ionin muodostaminen vaatii energiaa ja aineiden elektroniaffiniteetti on etumerkiltään positiivinen.
Vaikka positiivisen ja negatiivisen ionin muodostuminen ovat varauksen siirtymisen kannalta toisilleen käänteisiä prosesseja, ne eivät atomien energetiikan kannalta sitä yleensä ole. Tämän näkee jo siitäkin, että elektroniaffiniteetit ovat tyypillisesti itseisarvoltaan pienempiä kuin ionisaatioenergiat. Tämän seurauksena ruokasuolan (NaCl) muodostumisessa elektronin irrottaminen natriumista vaatii enemmän energiaa kuin kloori antaa elektronin vastaanottaessaan.
Miten NaCl molekyylin ionisidos sitten muodostuu? Puuttuvan energian antaa varattujen Na+ ja Cl− -ionien välinen sähköinen vuorovaikutus.
Kimmo Tuominen, yliopistonlehtori
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto
