Vidéo de la leçon: Affinité électronique Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à définir l’affinité électronique, et à décrire et à expliquer les tendances de l’affinité électronique dans le tableau périodique. Les chimistes ont de la difficulté à suivre la quantité et les différents types d’énergie contenue dans un système. L’un des moyens les plus simples pour les chimistes est de décomposer les événements en plus petites étapes. Si nous prenons un atome, nous pouvons mesurer l’énergie nécessaire pour éliminer chaque électron un par un jusqu’à ce que nous obtenions seulement le noyau. Le processus d’élimination des électrons s'appelle l'ionisation. Voici les première et deuxième ionisation d’un atome d’hélium.

Mais qu’en est-il de la réaction inverse ? Il est également possible pour les atomes de gagner des électrons. Alors, comment s'appelle ce processus ? Voici un atome d’hydrogène. En règle générale, nous devrions retrouver de l’hydrogène élémentaire dans les molécules d’hydrogène H2. Cependant, la plupart des éléments ne forment pas des molécules de la même façon que l’hydrogène et il est donc difficile de les comparer de cette manière. Nous commencerons donc par des atomes séparés à l’état gazeux. Lorsqu'un atome d’hydrogène est assez près d’un électron, ils s’attirent et se collent ensemble. L’énergie chimique potentielle sera alors convertie en d’autres formes d’énergie, comme la chaleur. L’énergie libérée au cours de ce processus est connue sous le nom d’affinité électronique de l’hydrogène.

Nous utilisons également le terme affinité électronique pour faire référence au processus global d’ajout d'électrons. L’affinité électronique est définie comme étant l’énergie libérée lorsqu’un électron est ajouté à un atome neutre à l’état gazeux pour former un ion négatif et nous exprimons généralement l'affinité électronique en kilojoules par mole d’atomes. Il existe également une deuxième affinité électronique au cours de laquelle l’électron est ajouté à un ion négatif au lieu d'un atome neutre. Nous y reviendrons rapidement plus tard, mais nous allons nous concentrer davantage sur la première affinité électronique.

Avant d’aller plus loin, il est très important de connaître la relation entre l’affinité électronique et l’enthalpie ou les variations d’énergie. L’affinité électronique de l’hydrogène n’est pas la même chose que la variation d’enthalpie lors de l'ajout d'un électron à un atome d’hydrogène. L’affinité électronique représente le dégagement de l’énergie et il s'agit donc de la quantité d’énergie qui est dégagée, tandis que la variation d’enthalpie représente la variation globale de l’énergie dans le système. Si l’affinité électronique est positive et que nous pouvons utiliser le symbole Æ, la variation d’enthalpie pour le même processus est négative. Cette réaction correspond à un processus exothermique, donc à un dégagement d’énergie dans le milieu environnant, tandis qu’une affinité électronique négative indique que la variation d’enthalpie pour ce processus est positive. Cela correspond à un processus endothermique.

Bien que cette convention soit contrariante, il vous suffit de vous rappeler la définition de l’affinité électronique. Ce faisant, vous devriez être en mesure de comprendre la signification du signe de l’affinité électronique. Il existe actuellement 118 éléments dans le tableau périodique. Cela signifie qu’il y a potentiellement 118 premières affinités électroniques différentes à mesurer, en supposant qu'il n'y ait aucune différence avec les isotopes. L’affinité électronique de l’hydrogène est d’environ 73 kilojoules par mole. Cela signifie que, si nous avons une mole d’atomes d’hydrogène à l'état gazeux et que nous ajoutons un électron à chacun de ces atomes, nous convertirons 73 kilojoules d’énergie chimique potentielle en d’autres formes d’énergie, comme la chaleur. Alors, pour chaque mole d’atomes d’hydrogène qui est transformée en ions H‒, nous obtenons 73 kilojoules d’énergie libérée dans le milieu environnant.

Cela signifie qu’un ion H‒ est plus stable qu’un atome d’hydrogène ou qu'un électron pris séparément. Mais qu’en est-il des éléments qui sont déjà très stables, comme l’hélium ? Lorsque nous essayons d’ajouter un électron à l’hélium, la répulsion des électrons est supérieure à l’attraction du noyau, ce qui signifie que, pour ajouter un électron à un atome d’hélium, nous devons lui fournir de l’énergie. Il est presque impossible de le mesurer directement, car le He‒ est instable, mais nous pouvons tout de même le calculer.

Si nous pouvions ajouter un électron à un atome d’hélium, il faudrait environ 48 kilojoules par mole, ce qui signifie que l’affinité électronique de l’hélium est d’environ 48 kilojoules par mole. Nous avons vu que certains éléments ont des affinités électroniques positives, alors que d’autres ont des affinités électroniques négatives. Alors, pour certains éléments, l'ajout d'électrons à leurs atomes à l'état gazeux est exothermique, alors que pour d’autres, il s'agit d'un processus endothermique. Voici une carte en couleur représentant les affinités électroniques des éléments. Plus le carré est rose, plus l’affinité électronique de cet élément est grande. Plus le carré est bleu, plus l’affinité électronique est faible. Le gris indique des affinités électroniques autour de zéro et le blanc indique que l’affinité électronique n’a pas encore été déterminée.

Comme vous pouvez le constater, il n’y a pas vraiment de tendance générale, mais nous pouvons dégager certaines tendances ici et là. Par exemple, tous les gaz nobles ont des affinités électroniques négatives. Sinon, les affinités électroniques deviennent généralement plus positives lorsqu'on se déplace de gauche à droite et de bas en haut. De façon générale, nous pouvons constater une augmentation de l’affinité électronique des éléments sur une même période en se déplaçant de gauche à droite. Et, pour un petit nombre de groupes, nous pouvons constater une augmentation de l’affinité électronique du bas vers le haut.

Considérons d’abord la tendance à la baisse dans un même groupe. Cette tendance est plus forte pour les groupes 1, 14, 15, 16 et 17. Au fur et à mesure que nous descendons dans un groupe du tableau périodique, les atomes des éléments deviennent de plus en plus gros, car ils ont davantage de couches électroniques. Pour des éléments similaires, lorsque la taille des atomes augmente, l’attraction pour un électron supplémentaire diminue. Si nous essayons d’ajouter un électron à un petit atome, il sera en mesure de se rapprocher davantage du noyau, tandis que les atomes contenant plus d’électrons ne seront pas en mesure de se rapprocher autant du noyau.

Avant de continuer, nous allons examiner une incohérence au sein du groupe 17. Le fluor a une affinité électronique exceptionnellement élevée à 328 kilojoules par mole, mais celle du chlore est encore plus élevée. En parallèle, les affinités électroniques du brome, de l’iode et des autres éléments suivent, comme prévu, la tendance à la baisse. Bien qu’il soit difficile d'en déterminer exactement la cause, nous pouvons proposer une théorie acceptable.

Un atome de fluor a un petit rayon atomique de seulement 42 picomètres. Celui du chlore est presque le double à 79 picomètres, tandis que ceux du brome et de l’iode augmentent progressivement. Voici un atome de fluor représenté avec neuf électrons gravitant autour d'un noyau ayant une charge de neuf plus. Un atome de fluor est encore plus petit qu’un atome d’hydrogène, qui a un rayon atomique de 53 picomètres. On peut imaginer que la charge négative de ces électrons dans un atome de fluor sera très, très dense, ce qui réduira l’affinité électronique du fluor par rapport à celle du chlore, car le nouvel électron subira une plus grande répulsion.

Examinons maintenant de plus près la tendance allant de gauche à droite sur une même période. Concentrons-nous sur la période 2. En allant de gauche à droite, le nombre atomique augmente. Puisque le nombre de couches électroniques n’augmente pas alors que la charge nucléaire augmente, le rayon atomique diminue. Dans un atome de lithium, le noyau a une charge de trois plus et il y a donc trois électrons dans le nuage électronique. Ensemble, ces électrons ont une charge de trois moins. Quant à lui, un atome de fluor a un noyau avec une charge neuf plus et neuf électrons. Pour cette tendance, nous allons ignorer le gaz noble néon, car nous savons déjà qu’il est très stable et qu'il n’acceptera pas d’électron supplémentaire.

Maintenant, imaginons que cet électron supplémentaire soit introduit à côté d’un atome de lithium ou de fluor. L’électron qui s’approche d’un atome de fluor peut se rapprocher beaucoup plus du noyau avant d’être repoussé par les autres électrons. Il s'agit donc d'une explication sommaire de la raison pour laquelle nous observons généralement une augmentation de l’affinité électronique en allant de gauche à droite sur une période du tableau périodique.

Le dernier point que nous allons aborder, et j'avais dit que nous allions y revenir, est la deuxième affinité électronique. Les deuxièmes affinités électroniques sont associées à ce processus, soit X‒ plus un électron forme X2‒. Encore une fois, cela se produit à l'état gazeux. Ce qui est intéressant ici est que nous introduisons un électron qui est chargé négativement dans un anion. Ainsi, l’ion négatif repoussera naturellement l’électron, ce qui augmente l’énergie nécessaire pour l'ajouter. Pour cette raison, les deuxièmes affinités électroniques sont toujours négatives et donc endothermiques.

Nous pouvons visualiser ce processus avec l’élément oxygène. La première affinité électronique de l’oxygène est d’environ 141 kilojoules par mole. La variation d’enthalpie pour ce processus est négative et nous avons donc affaire à un processus exothermique. Toutefois, la deuxième affinité électronique de l’oxygène devrait être d’environ moins 744 kilojoules par mole. La variation d’enthalpie pour ce processus est donc positive et nous avons affaire à un processus extrêmement endothermique. Ce qui est intéressant, c’est que des ions O2‒ se forment à tout moment dans les structures cristallines métalliques, ce qui engendre un coût en termes d’énergie endothermique lorsque des ions de différentes charges se rassemblent.

Terminons maintenant avec les points clés à retenir. L’affinité électronique d’un élément consiste en l’énergie libérée lorsqu’un électron est ajouté à un atome neutre de cet élément à l’état gazeux pour former un ion négatif. Les affinités électroniques sont normalement exprimées en kilojoules par mole. L’affinité électronique est souvent utilisée pour désigner le processus même de l'ajout d'un électron à un atome à l'état gazeux. La deuxième affinité électronique d’un élément est l’énergie associée au processus d’ajout d’un électron à un ion portant une charge négative. Une affinité électronique positive indique une variation d'enthalpie négative, ce qui représente donc un processus exothermique. Bien sûr, au contraire, une affinité électronique négative indique une variation d’enthalpie positive et un processus endothermique.

Sur le tableau périodique, nous observons une tendance croissante générale de l’affinité électronique en se déplaçant de gauche à droite et de bas en haut. En se déplaçant de bas en haut au sein d’un même groupe, nous attribuons cette tendance à une taille atomique décroissante. Sur une même période, une augmentation du nombre atomique de l’élément signifie que l’atome aura une charge nucléaire plus élevée, ce qui contracte la couche électronique et permet au nouvel électron de se rapprocher en étant plus attiré par le noyau. Rappelez-vous que nous ignorons souvent les gaz nobles lorsque nous discutons de ces tendances, car les atomes de ces derniers ont des couches de valence complètes. Ils sont donc extrêmement stables et l’ajout d’électrons sera toujours endothermique.