Vysvětlení konceptu elektronegativity

Elektronegativita je koncept v molekulární chemii, který popisuje schopnost atomu přitahovat k sobě elektrony. Čím vyšší je číselná hodnota elektronegativity daného atomu, tím silněji čerpá záporně nabité elektrony směrem k jeho kladně nabitému jádru protonů a (kromě vodíku) neutrony.

Protože atomy neexistují izolovaně a místo toho tvoří molekulární sloučeniny kombinací s jinými atomů je koncept elektronegativity důležitý, protože určuje povahu vazeb mezi nimi atomy. Atomy se připojují k jiným atomům prostřednictvím procesu sdílení elektronů, ale na to lze ve skutečnosti pohlížet spíše jako na nerozlučnou hru přetahování: Atomy zůstávají spojené společně, protože zatímco žádný atom „nevyhrává“, jejich zásadní vzájemná přitažlivost udržuje jejich sdílené elektrony přiblížit se k nějakému docela dobře definovanému bodu mezi jim.

Atomy se skládají z protonů a neutronů, které tvoří střed nebo jádro atomů, a elektronů, který "obíhá" kolem jádra, spíše jako velmi malé planety nebo komety vířící rychlostí šílenství kolem a malé slunce. Proton nese kladný náboj 1,6 x 10

Konkrétní typ nebo paleta atomu, nazývaná prvek, je definována počtem protonů, které má, nazývaným atomové číslo daného prvku. Vodík s atomovým číslem 1 má jeden proton; uran, který má 92 protonů, je odpovídajícím způsobem číslo 92 na periodické tabulce prvků (příklad interaktivní periodické tabulky najdete v Zdrojích).

Když atom prochází změnou v počtu protonů, už to není stejný prvek. Když atom získá nebo ztratí neutrony, na druhé straně zůstane stejným prvkem, ale je izotop původní chemicky nejstabilnější formy. Když atom získá nebo ztratí elektrony, ale jinak zůstane stejný, nazývá se to ion.

Elektrony, které jsou na fyzických okrajích těchto mikroskopických uspořádání, jsou složkami atomů, které se účastní vazby s jinými atomy.

Skutečnost, že jádra atomů jsou kladně nabitá, zatímco elektrony se otáčejí kolem na atomové proužky atomů jsou záporně nabité, určuje způsob, jakým jednotlivé atomy interagují s jedním další. Jsou-li dva atomy velmi blízko u sebe, odpuzují se navzájem bez ohledu na to, jaké prvky představují, protože jejich příslušné elektrony se nejprve „setkají“ navzájem a záporné náboje tlačí proti ostatním záporným poplatky. Jejich příslušná jádra, i když nejsou tak blízko u sebe jako jejich elektrony, se také navzájem odpuzují. Pokud jsou atomy v dostatečné vzdálenosti od sebe, mají tendenci se navzájem přitahovat. (Iony, jak brzy uvidíte, jsou výjimkou; dva kladně nabité ionty se vždy navzájem odpuzují, a totéž platí pro záporně nabité iontové páry.) To znamená, že při určitém rovnovážná vzdálenost, rovnováha atraktivních a repelentních sil a atomy zůstanou v této vzdálenosti od sebe, pokud nebudou narušeny jinými síly.

Potenciální energie v páru atom-atom je definována jako negativní, pokud jsou atomy přitahovány k sobě navzájem, a pozitivní, pokud se atomy mohou volně pohybovat od sebe navzájem. V rovnovážné vzdálenosti je potenciální energie mezi atomem na své nejnižší (tj. Nejnegativnější) hodnotě. Tomu se říká vazebná energie daného atomu.

Různé typy atomových vazeb pepřují krajinu molekulární chemie. Nejdůležitější pro současné účely jsou iontové vazby a kovalentní vazby.

Viz předchozí diskuse o atomech, které mají tendenci se navzájem odpuzovat zblízka, především kvůli interakci mezi jejich elektrony. Bylo také poznamenáno, že podobně nabité ionty se navzájem odpuzují, ať se děje cokoli. Pokud však dvojice iontů má opačné náboje - tedy pokud jeden atom ztratil elektron, aby převzal náboj +1 zatímco jiný získal elektron, aby převzal náboj -1 - pak jsou oba atomy velmi silně přitahovány ke každému jiný. Čistý náboj na každém atomu vyhlazuje jakékoli odpuzující účinky, které mohou mít jejich elektrony, a atomy mají tendenci se vázat. Protože tyto vazby jsou mezi ionty, nazývají se iontové vazby. Stolní sůl, která se skládá z chloridu sodného (NaCl) a je výsledkem vazby kladně nabitého atomu sodíku k záporně nabitému atomu chloru k vytvoření elektricky neutrální molekuly, je příkladem tohoto typu pouto.

Kovalentní vazby vyplývají ze stejných principů, ale tyto vazby nejsou tak silné kvůli přítomnosti poněkud vyváženějších konkurenčních sil. Například voda (H₂O) má dvě kovalentní vazby vodík-kyslík. Důvodem, proč se tyto vazby tvoří, je hlavně to, že vnější elektronové dráhy atomů se „chtějí“ zaplnit určitým počtem elektronů. Toto číslo se u jednotlivých prvků liší a sdílení elektronů s jinými atomy je způsob, jak toho dosáhnout, i když to znamená překonat mírné odpuzující účinky. Molekuly, které obsahují kovalentní vazby, mohou být polární, což znamená, že i když je jejich čistý náboj nulový, části molekuly nesou pozitivní náboj, který je jinde vyvážen zápornými náboji.

Paulingova stupnice se používá k určení, jak elektronegativní je daný prvek. (Tato stupnice je pojmenována podle zesnulého vědce Nobelovy ceny Linuse Paulinga.) Čím vyšší hodnota, tím více toužící po atomu je přilákat elektrony k sobě ve scénářích, které by umožňovaly kovalenci lepení.

Nejvyšším prvkem na této stupnici je fluor, kterému je přiřazena hodnota 4,0. Nejnižší jsou relativní temné prvky cesium a francium, které se přihlásí za 0,7. „Nerovnoměrné“ nebo polární kovalentní vazby se vyskytují mezi prvky s velkými rozdíly; v těchto případech leží sdílené elektrony blíže jednomu atomu než druhému. Pokud se dva atomy prvku spojí navzájem, jako s O₂ molekuly, atomy jsou očividně stejné v elektronegativitě a elektrony leží stejně daleko od každého jádra. Toto je nepolární vazba.

Poloha prvku na periodické tabulce nabízí obecné informace o jeho elektronegativitě. Hodnota elektronegativity prvků se zvyšuje zleva doprava i zdola nahoru. Poloha fluoru v pravém horním rohu zajišťuje jeho vysokou hodnotu.

Stejně jako u atomové fyziky obecně, hodně z toho, co je známo o chování elektronů a vazbách je, i když je experimentálně stanoven, do značné míry teoretický na úrovni jednotlivých subatomárních částice. Pokusy přesně ověřit, co jednotlivé elektrony dělají, jsou technickým problémem, stejně jako izolace jednotlivých atomů obsahujících tyto elektrony. V experimentech k testování elektronegativity byly hodnoty tradičně odvozeny z nutnosti zprůměrování hodnot velkého množství jednotlivých atomů.

V roce 2017 byli vědci schopni použít techniku ​​zvanou elektronová silová mikroskopie ke zkoumání jednotlivých atomů na povrchu křemíku a měření jejich hodnot elektronegativity. Udělali to hodnocením chování vazby křemíku s kyslíkem, když byly dva prvky umístěny v různých vzdálenostech od sebe. Jak se technologie ve fyzice stále zdokonaluje, lidské znalosti o elektronegativitě budou dále vzkvétat.