전자 친화도(Electron Affinity)의 정의와 성질

1. 전자 친화도(Electron Affinity)의 정의

 전자 친화도(Electron Affinity, EA)는 기체 상태의 중성 원자가 전자 하나를 추가적으로 받아들일 때 방출 또는 흡수하는 에너지의 양을 나타냅니다. 이는 원자가 전자를 수용할 때 그 시스템이 얼마나 안정화되는지를 반영하는 중요한 물리화학적 성질입니다. 일반적으로 전자 친화도 값이 양수일 경우, 전자가 추가될 때 에너지가 방출되므로 원자가 전자를 수용하기 쉬운 상태임을 의미하며, 값이 클수록 전자를 더욱 강하게 끌어당기는 성향을 갖습니다. 반면, 전자 친화도가 음수라면 전자를 받아들이는 과정에서 에너지가 흡수됨을 의미하며, 이는 해당 원자가 전자를 수용하는 것이 어렵다는 것을 나타냅니다. 화학반응식으로 전자 친화도를 표현하면 다음과 같습니다.

 

                                                                               X(g) + 𝑒− →X−(g) + Δ E

 

 여기서 Δ E는 에너지 변화량를 나타내며, 그 에너지의 값이 양수라면 에너지가 방출되고 음수라면 에너지가 흡수됩니다. 일반적으로 전자 친화도는 양의 값으로 표현되며, 값이 클수록 원자가 전자를 강하게 끌어당긴다는 뜻입니다.

2. 전자 친화도의 경향성 (Periodic Trends of Electron Affinity)

 전자 친화도는 주기율표에서 일정한 경향성을 나타내며, 원자의 전자 배치와 핵전하의 크기에 따라 변합니다. 주기율표에서의 경향성을 살펴보면 다음과 같습니다.

1) 주기적 변화 (Periodicity in Electron Affinity)

 가로(주기, Period) 방향(같은 주기)에 속한 원소들의 전자 친화도는 일반적으로 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하는 경향을 보입니다. 이는 원자핵의 양성자 수가 증가함에 따라 전자가 추가될 때 핵과의 인력이 강해지기 때문입니다.
 세로(족, Group) 방향(같은 족)에 속한 원소들의 전자 친화도는 위에서 아래로 갈수록 감소하는 경향을 보입니다. 이는 원자의 크기가 커짐에 따라 최외각 전자가 핵으로부터 멀어지고, 전자 사이의 반발력이 증가하기 때문입니다.

2) 예외적인 경우 (Exceptions in Electron Affinity)

 일반적인 경향성과는 다르게 특정한 원소들은 예상과 다른 전자 친화도 값을 가집니다. 비활성 기체(Noble Gases, 18족)는 최외각 전자껍질이 완전히 채워져 있어 추가적인 전자를 받아들이기 어려우므로, 전자 친화도가 거의 없거나 매우 낮습니다. 알칼리 토금속(2족) 및 질소족(15족) 원소들은 전자가 완전히 채워진 s 오비탈을 가지고 있어 추가적인 전자를 받아들이기 어렵고, 질소족 원소들은 반만 채워진 p 오비탈을 가지고 있어 추가적인 전자가 들어올 경우 전자 간 반발력이 증가하여 전자 친화도가 낮아집니다. 할로젠(17족) 원소들은 전자 친화도가 가장 높은 경향을 보입니다. 특히 염소(Cl)는 348.7 kJ/mol의 전자 친화도를 가지며, 이는 모든 원소 중 가장 높은 값입니다.

3. 전자 친화도의 성질 및 활용

 전자 친화도는 원자의 화학적 성질을 결정하는 중요한 요인 중 하나로, 다음과 같은 성질과 밀접한 관계를 가집니다.

1) 산화·환원 반응에서의 역할

 전자 친화도가 높은 원소(주로 비금속)는 강력한 산화제(Oxidizing Agent)로 작용합니다. 이는 이들이 전자를 쉽게 받아들여 환원되기 때문입니다. 대표적인 예로, 할로젠 원소들은 강력한 산화제로 작용하며, 특히 플루오린(F)은 가장 강력한 산화제로 알려져 있습니다.
*산화제(Oxidizing agent) : 산화·환원 반응에서 상대를 산화시키는 물질을 말합니다. 산화제의 화학적 반응은 세 가지의 경우가 있는데 상대에게 산소를 주거나, 상대로부터 수소를 빼앗거나, 상대에게서 전자를 빼앗는 경우가 있습니다. 전자 친화도가 가장 큰 플루오린은 가장 강력한 산화제입니다. 

2) 전기음성도(Electronegativity)와의 관계

 전자 친화도와 전기음성도는 개념적으로 유사하지만 다릅니다. 전기음성도는 공유 결합을 형성할 때 전자를 끌어당기는 상대적인 척도인 반면, 전자 친화도는 자유 전자를 받아들일 때의 절대적인 에너지 변화 값입니다. 전자 친화도가 높은 원소일수록 전기음성도도 대체로 높지만, 두 값이 항상 정확히 일치하는 것은 아닙니다.

3) 이온 형성 경향성

 전자 친화도가 높은 원소들은 전자를 쉽게 받아들여 음이온(anion)을 형성하는 경향이 강합니다. 예를 들어, 염소(Cl) 원자는 전자를 받아  이온으로 존재할 가능성이 높습니다. 반대로 금속 원소들은 대체로 전자 친화도가 낮아 전자를 받아들이기보다는 잃고 양이온(cation)이 되는 경향이 강합니다. 예를 들어, 나트륨(Na)은 전자 친화도가 낮아 전자를 방출하고  이온으로 존재합니다.

4. 대표적인 원소들의 전자 친화도 값

 다음은 몇몇 주요 원소들의 전자 친화도 값을 나타낸 표입니다. 가장 높은 전자 친화도를 가지는 염소(Cl) 원소는 348.7 KJ/mol의 에너지를 가지며, 플루오린(F)은 328.2 KJ/mol의 에너지로 염소보다는 약간 낮은 에너지를 가집니다. 산소(O)는 141.0 KJ/mol, 황(S)은 200.4 KJ/mol의 전자 친화도 에너지값을 보여줍니다. 금속의 경우 상대적으로 비금속 원소보다 낮은 전자 친화도를 가지는데 이는 이온화 에너지와도 연관이 있습니다. 대표적인 원소인 소듐(Na)의 전자 친화도 에너지는 약 52.8 KJ/mol을 가집니다. 
 위에서 확인할 수 있듯이, 할로젠 원소들은 가장 높은 전자 친화도를 가지며, 이는 이들이 쉽게 음이온을 형성할 수 있음을 의미합니다. 반면, 알칼리 토금속과 비활성 기체는 상대적으로 낮은 전자 친화도를 가지며, 특히 비활성 기체는 전자 친화도가 거의 0에 가깝습니다.

5. 정리 및 요약

 전자 친화도는 원자가 전자를 받아들일 때의 에너지 변화를 나타내는 중요한 화학적 개념으로, 원소의 반응성과 이온 형성 경향을 설명하는 데 활용됩니다. 주기율표상에서 일반적으로 오른쪽 위로 갈수록 증가하는 경향을 보이며, 특히 할로젠 원소들이 가장 높은 값을 가집니다. 또한, 전자 친화도는 산화·환원 반응, 이온 형성 및 전기음성도와 밀접한 관계를 가지며, 화학적 반응성을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.