شرح مفهوم الكهربية

الكهربية هو مفهوم في الكيمياء الجزيئية يصف قدرة الذرة على جذب الإلكترونات إلى نفسها. كلما زادت القيمة العددية للسلبية الكهربية لذرة معينة ، زادت قوة جذبها الإلكترونات سالبة الشحنة تجاه نواتها موجبة الشحنة من البروتونات و (باستثناء الهيدروجين) النيوترونات.

لأن الذرات لا توجد بمعزل عن بعضها البعض ، وبدلاً من ذلك تشكل مركبات جزيئية عن طريق الاندماج مع غيرها الذرات ، فإن مفهوم الكهربية مهم لأنه يحدد طبيعة الروابط بين ذرات. تنضم الذرات إلى ذرات أخرى من خلال عملية مشاركة الإلكترونات ، ولكن يمكن اعتبار ذلك أكثر على أنه لعبة شد الحبل غير القابلة للحل: تظل الذرات مرتبطة معًا لأنه ، في حين أن أيا من الذرات "لا تربح" ، فإن جاذبيتها الأساسية المتبادلة تحافظ على إلكتروناتها المشتركة تدور حول نقطة محددة جيدًا بين معهم.

تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات التي تشكل مركز أو نواة الذرات والإلكترونات ، التي "تدور" حول النواة مثل الكواكب الصغيرة جدًا أو المذنبات التي تدور بسرعات جنونية حول شمس صغيرة. يحمل البروتون شحنة موجبة 1.6 × 10^-19 كولوم ، أو C ، بينما تحمل الإلكترونات شحنة سالبة من نفس الحجم. تحتوي الذرات عادةً على نفس عدد البروتونات والإلكترونات ، مما يجعلها متعادلة كهربائيًا. تحتوي الذرات عادةً على نفس عدد البروتونات والنيوترونات تقريبًا.

يتم تحديد نوع معين أو مجموعة متنوعة من الذرة ، تسمى العنصر ، من خلال عدد البروتونات التي تحتوي عليها ، ويسمى العدد الذري لهذا العنصر. الهيدروجين برقم ذري 1 وله بروتون واحد. اليورانيوم ، الذي يحتوي على 92 بروتونًا ، هو رقم 92 في الجدول الدوري للعناصر (انظر الموارد للحصول على مثال لجدول دوري تفاعلي).

عندما تخضع الذرة لتغيير في عدد البروتونات ، فإنها لا تعود هي العنصر نفسه. عندما تكسب الذرة النيوترونات أو تفقدها ، من ناحية أخرى ، فإنها تظل نفس العنصر ولكنها النظير من الشكل الأصلي الأكثر استقرارًا كيميائيًا. عندما تكتسب الذرات إلكترونات أو تفقدها ولكنها تظل كما هي ، يطلق عليها اسم أيون.

الإلكترونات ، الموجودة على الحواف الفيزيائية لهذه الترتيبات المجهرية ، هي مكونات الذرات التي تشارك في الترابط مع الذرات الأخرى.

حقيقة أن نوى الذرات مشحونة إيجابياً بينما تتجول الإلكترونات حول تحدد الأطراف المادية للذرة سالبة الشحنة الطريقة التي تتفاعل بها الذرات الفردية مع واحدة اخر. عندما تكون ذرتان متقاربتين جدًا ، فإنها تتنافر بغض النظر عن العناصر التي تمثلها ، لأن إلكترونات كل منهما "تواجه" بعضها البعض أولاً ، والشحنات السالبة تدفع ضد الأخرى السلبية شحنة. نوات كل منهما ، رغم أنها ليست قريبة من بعضها البعض مثل إلكتروناتها ، فإنها تتنافر أيضًا. عندما تكون الذرات متباعدة بشكل كافٍ ، فإنها تميل إلى جذب بعضها البعض. (الأيونات ، كما سترى قريبًا ، هي استثناء ؛ سوف يتنافر أيونان موجبان الشحنة دائمًا ، وكذلك بالنسبة لأزواج الأيونات السالبة الشحنة.) وهذا يعني أنه في حالة معينة مسافة التوازن ، وتوازن القوى الجذابة والطاردة ، وستبقى الذرات متباعدة على هذه المسافة ما لم يزعجها الآخرون. القوات.

يتم تعريف الطاقة الكامنة في زوج من الذرة على أنها سالبة إذا انجذبت الذرات لبعضها البعض وموجبة إذا كانت الذرات حرة في الابتعاد عن بعضها البعض. على مسافة التوازن ، تكون الطاقة الكامنة بين الذرة عند أدنى قيمة لها (أي الأكثر سلبية). وهذا ما يسمى طاقة الرابطة للذرة المعنية.

مجموعة متنوعة من أنواع الروابط الذرية تتفوق على مشهد الكيمياء الجزيئية. الروابط الأيونية والروابط التساهمية هي الأكثر أهمية للأغراض الحالية.

ارجع إلى المناقشة السابقة حول الذرات التي تميل إلى التنافر عن قرب بسبب التفاعل بين إلكتروناتها في المقام الأول. ولوحظ أيضًا أن الأيونات المشحونة بالمثل تتنافر بغض النظر عن السبب. إذا كان لزوج من الأيونات شحنة معاكسة - أي إذا فقدت ذرة إلكترونًا لتحمل شحنة +1 بينما اكتسبت أخرى إلكترونًا لتحمل شحنة قدرها -1 - تنجذب الذرتان بشدة إلى كل منهما آخر. تمحو الشحنة الصافية على كل ذرة أي تأثيرات طاردة قد تكون لإلكتروناتها ، وتميل الذرات إلى الترابط. لأن هذه الروابط بين الأيونات ، فإنها تسمى الروابط الأيونية. ملح الطعام ، ويتكون من كلوريد الصوديوم (NaCl) وينتج عن رابطة ذرة الصوديوم موجبة الشحنة إلى ذرة كلور سالبة الشحنة لإنشاء جزيء متعادل كهربائيًا ، يمثل هذا النوع من سند مالي.

تنتج الروابط التساهمية من نفس المبادئ ، لكن هذه الروابط ليست قوية بسبب وجود قوى منافسة أكثر توازناً إلى حد ما. على سبيل المثال ، الماء (H₂O) له اثنين من الروابط التساهمية بين الهيدروجين والأكسجين. يعود سبب تشكل هذه الروابط أساسًا إلى أن مدارات الإلكترون الخارجية للذرات "تريد" أن تملأ نفسها بعدد معين من الإلكترونات. يختلف هذا العدد بين العناصر ، وتعد مشاركة الإلكترونات مع ذرات أخرى طريقة لتحقيق ذلك حتى عندما يعني ذلك التغلب على التأثيرات الطاردة المتواضعة. قد تكون الجزيئات التي تحتوي على روابط تساهمية قطبية ، مما يعني أنه على الرغم من أن شحنتها الصافية تساوي صفرًا ، إلا أن أجزاء من الجزيء تحمل شحنة موجبة يتم موازنتها بواسطة الشحنات السالبة في مكان آخر.

يستخدم مقياس بولنج لتحديد مدى كهرسلبية عنصر معين. (أخذ هذا المقياس اسمه من العالم الراحل لينوس بولينج الحائز على جائزة نوبل). تتوق الذرة إلى جذب الإلكترونات نحو نفسها في سيناريوهات تفسح المجال لإمكانية التساهمية الترابط.

الفلور هو العنصر الأعلى تصنيفًا في هذا المقياس ، والذي تم تعيينه بقيمة 4.0. أدنى مرتبة هي نسبيًا عناصر غامضة السيزيوم والفرانسيوم ، والتي تحقق في 0.7. تحدث الروابط التساهمية "غير المستوية" أو القطبية بين العناصر الكبيرة اختلافات؛ في هذه الحالات ، تكون الإلكترونات المشتركة أقرب إلى ذرة من الأخرى. إذا ارتبطت ذرتان من عنصر ببعضهما البعض ، كما هو الحال مع O₂ الجزيء ، من الواضح أن الذرات متساوية في الكهربية ، والإلكترونات تقع على مسافة متساوية من كل نواة. هذه رابطة غير قطبية.

يوفر موضع العنصر في الجدول الدوري معلومات عامة عن سلبيته الكهربية. تزداد قيمة كهرسلبية العناصر من اليسار إلى اليمين وكذلك من الأسفل إلى الأعلى. يضمن موقع الفلور بالقرب من أعلى اليمين قيمته العالية.

كما هو الحال مع الفيزياء الذرية بشكل عام ، فإن الكثير مما هو معروف عن سلوك الإلكترونات والترابط هو ، على الرغم من أنه تم إنشاؤه تجريبيًا ، إلا أنه نظري إلى حد كبير على مستوى الذرة دون الذرية الفردية حبيبات. تعد التجارب للتحقق مما تفعله الإلكترونات الفردية مشكلة فنية ، كما هو الحال مع عزل الذرات الفردية التي تحتوي على تلك الإلكترونات. في تجارب اختبار الكهربية ، تم اشتقاق القيم تقليديًا ، بالضرورة ، من متوسط ​​قيم عدد كبير من الذرات الفردية.

في عام 2017 ، كان الباحثون قادرين على استخدام تقنية تسمى مجهر القوة الإلكترونية لفحص الذرات الفردية على سطح السيليكون وقياس قيمها الكهربية. لقد فعلوا ذلك من خلال تقييم سلوك ارتباط السيليكون بالأكسجين عندما تم وضع العنصرين على مسافات مختلفة. مع استمرار تحسن التكنولوجيا في الفيزياء ، ستزدهر المعرفة البشرية حول الكهربية بشكل أكبر.