Електронегативността е концепция в молекулярната химия, която описва способността на атома да привлича електрони към себе си. Колкото по-висока е числената стойност на електроотрицателността на даден атом, толкова по-мощно той тегли отрицателно заредени електрони към неговото положително заредено ядро от протони и (с изключение на водорода) неутрони.
Тъй като атомите не съществуват изолирано и вместо това образуват молекулни съединения чрез комбиниране с други атоми, понятието електроотрицателност е важно, защото определя естеството на връзките между атоми. Атомите се присъединяват към други атоми чрез процес на споделяне на електрони, но това наистина може да се разглежда по-скоро като неразрешима игра на теглене на въже: Атомите остават свързани заедно, тъй като докато нито един от атомите не "печели", тяхното съществено взаимно привличане поддържа техните споделени електрони да се движат около някаква доста добре дефинирана точка тях.
Структура на атома
Атомите се състоят от протони и неутрони, които съставляват центъра или ядрото на атомите, и електрони, които "обикалят" ядрото по-скоро като много малки планети или комети, въртящи се с луда скорост около малко слънце. Протонът носи положителен заряд от 1,6 х 10
-19 кулони или С, докато електроните носят отрицателен заряд със същата величина. Атомите обикновено имат еднакъв брой протони и електрони, което ги прави електрически неутрални. Атомите обикновено имат приблизително еднакъв брой протони и неутрони.Конкретен тип или разновидност на атома, наречен елемент, се дефинира от броя на протоните, които има, наречен атомният номер на този елемент. Водородът с атомно число 1 има един протон; уранът, който има 92 протона, съответно е номер 92 в периодичната таблица на елементите (вижте Ресурсите за пример за интерактивна периодична таблица).
Когато атом претърпи промяна в броя на протоните, той вече не е същият елемент. Когато атомът печели или губи неутрони, от друга страна, той остава същият елемент, но е изотоп на оригиналната, химически най-стабилна форма. Когато атомите печелят или губят електрони, но в противен случай остават същите, това се нарича an йон.
Електроните, намиращи се на физическите ръбове на тези микроскопични устройства, са компонентите на атомите, които участват в свързването с други атоми.
Основи на химичното свързване
Фактът, че ядрата на атомите са положително заредени, докато електроните се движат наоколо върху физическите ресни на атома са отрицателно заредени, определя начина, по който отделните атоми взаимодействат с един друг. Когато два атома са много близо един до друг, те се отблъскват, без значение какви елементи представляват, защото съответните им електрони се „срещат“ първо, а отрицателните заряди се натискат срещу други отрицателни такси. Съответните им ядра, макар и не толкова близо един до друг, колкото техните електрони, също се отблъскват. Когато атомите са на достатъчно разстояние, обаче, те са склонни да се привличат един друг. (Както скоро ще видите, йони са изключение; два положително заредени йона винаги ще се отблъскват и също за отрицателно заредени двойки йони.) Това означава, че при определен равновесно разстояние, атрактивните и отблъскващи сили балансират и атомите ще останат на това разстояние, освен ако не бъдат нарушени от други сили.
Потенциалната енергия в двойка атом-атом се определя като отрицателна, ако атомите са привлечени един към друг и положителна, ако атомите са свободни да се отдалечат един от друг. На равновесното разстояние потенциалната енергия между атома е най-ниската (т.е. най-отрицателната) стойност. Това се нарича енергията на връзката на въпросния атом.
Химични връзки и електроотрицателност
Разнообразие от видове атомни връзки пипер пейзаж на молекулярната химия. Най-важните за настоящите цели са йонните връзки и ковалентните връзки.
Обърнете се към предишната дискусия за атомите, които са склонни да се отблъскват един от друг най-вече поради взаимодействието между техните електрони. Също така беше отбелязано, че по същия начин заредени йони се отблъскват, независимо от всичко. Ако обаче двойка йони имат противоположни заряди - тоест, ако един атом е загубил електрон, за да приеме заряд от +1 докато друг е спечелил електрон, за да приеме заряд от -1 - тогава двата атома са много силно привлечени от всеки други. Нетният заряд на всеки атом заличава каквото и да е отблъскващо въздействие на техните електрони и атомите са склонни да се свързват. Тъй като тези връзки са между йони, те се наричат йонни връзки. Трапезна сол, състояща се от натриев хлорид (NaCl) и получена от положително заредена връзка на натриев атом до отрицателно зареден хлорен атом за създаване на електрически неутрална молекула, илюстрира този тип връзка.
Ковалентните връзки произтичат от същите принципи, но тези връзки не са толкова силни поради наличието на малко по-балансирани конкурентни сили. Например вода (H2O) има две ковалентни водород-кислородни връзки. Причината за образуването на тези връзки е главно защото външните електронни орбити на атомите "искат" да се запълнят с определен брой електрони. Това число варира между елементите и споделянето на електрони с други атоми е начин да се постигне това, дори когато това означава преодоляване на скромни репелентни ефекти. Молекулите, които включват ковалентни връзки, могат да бъдат полярни, което означава, че въпреки че нетният им заряд е нула, части от молекулата носят положителен заряд, който е балансиран от отрицателни заряди другаде.
Стойности на електроотрицателността и Периодичната таблица
Скалата на Полинг се използва за определяне на електроотрицателността на даден елемент. (Тази скала носи името си от покойния носител на Нобелова награда учен Линус Полинг.) Колкото по-висока е стойността, толкова повече нетърпелив атом е да привлече електрони към себе си в сценарии, даващи възможност на ковалентността свързване.
Най-високо класираният елемент по тази скала е флуорът, на който е присвоена стойност 4,0. Най-ниско класираните са относително неясни елементи цезий и франций, които се регистрират на 0.7. "Неравномерни" или полярни, ковалентни връзки възникват между елементи с големи разлики; в тези случаи споделените електрони лежат по-близо до единия атом, отколкото до другия. Ако два атома на елемент се свързват помежду си, както при О2 молекула, атомите очевидно са равни по електроотрицателност и електроните лежат еднакво далеч от всяко ядро. Това е неполярна връзка.
Позицията на елемент в периодичната таблица предлага обща информация за неговата електроотрицателност. Стойността на електроотрицателността на елементите се увеличава отляво надясно, както и отдолу нагоре. Положението на флуора в горния десен ъгъл гарантира високата му стойност.
Допълнителна работа: Повърхностни атоми
Както и при атомната физика като цяло, голяма част от това, което се знае за поведението на електроните и свързването е, макар и експериментално установено, до голяма степен теоретично на ниво индивидуално субатомно частици. Експериментите, за да се провери точно какво правят отделните електрони, е технически проблем, както и изолирането на отделните атоми, съдържащи тези електрони. В експерименти за тестване на електроотрицателност, стойностите традиционно се получават от, по необходимост, осредняване на стойностите на много отделни атоми.
През 2017 г. изследователите успяха да използват техника, наречена електронна силова микроскопия, за да изследват отделни атоми на повърхността на силиция и да измерват техните стойности на електроотрицателност. Те направиха това, като оцениха поведението на връзката на силиция с кислорода, когато двата елемента бяха разположени на различно разстояние. Тъй като технологиите продължават да се усъвършенстват във физиката, човешките знания за електроотрицателността ще процъфтяват допълнително.