Spiegazione del concetto di elettronegatività

L'elettronegatività è un concetto della chimica molecolare che descrive la capacità di un atomo di attrarre a sé gli elettroni. Più alto è il valore numerico dell'elettronegatività di un dato atomo, più potentemente esso disegna elettroni caricati negativamente verso il suo nucleo di protoni caricati positivamente e (ad eccezione dell'idrogeno) neutroni.

Perché gli atomi non esistono in isolamento e invece formano composti molecolari combinandosi con altri atomi, il concetto di elettronegatività è importante perché determina la natura dei legami tra atomi. Gli atomi si uniscono ad altri atomi attraverso un processo di condivisione di elettroni, ma questo può essere visto più come un gioco di tiro alla fune non risolvibile: gli atomi rimangono legati insieme perché, mentre nessun atomo "vince", la loro essenziale attrazione reciproca mantiene i loro elettroni condivisi che si muovono attorno a un punto abbastanza ben definito tra loro.

Gli atomi sono costituiti da protoni e neutroni, che costituiscono il centro o nucleo degli atomi, ed elettroni, che "orbitano" intorno al nucleo come piccolissimi pianeti o comete che vorticano a velocità folli intorno a minuscolo sole. Un protone ha una carica positiva di 1,6 x 10

Un particolare tipo o varietà di atomo, chiamato elemento, è definito dal numero di protoni che ha, chiamato numero atomico di quell'elemento. L'idrogeno, con numero atomico 1, ha un protone; l'uranio, che ha 92 protoni, è corrispondentemente al numero 92 sulla tavola periodica degli elementi (vedi Risorse per un esempio di tavola periodica interattiva).

Quando un atomo subisce un cambiamento nel suo numero di protoni, non è più lo stesso elemento. Quando un atomo guadagna o perde neutroni, invece, rimane lo stesso elemento ma è an isotopo della forma originale, chimicamente più stabile. Quando un atomo acquista o perde elettroni ma per il resto rimane lo stesso, si dice an ione.

Gli elettroni, essendo ai bordi fisici di queste disposizioni microscopiche, sono i componenti degli atomi che partecipano al legame con altri atomi.

Il fatto che i nuclei degli atomi siano caricati positivamente mentre gli elettroni sbandano sul le frange fisiche dell'atomo sono caricate negativamente determina il modo in cui i singoli atomi interagiscono con uno un altro. Quando due atomi sono molto vicini tra loro, si respingono a prescindere dagli elementi che rappresentano, perché i loro rispettivi elettroni si "incontrano" per primi, e le cariche negative spingono contro altre negative oneri. I loro rispettivi nuclei, sebbene non siano così vicini come i loro elettroni, si respingono anche l'un l'altro. Tuttavia, quando gli atomi sono a una distanza sufficiente, tendono ad attrarsi l'un l'altro. (Gli ioni, come vedrai presto, sono un'eccezione; due ioni caricati positivamente si respingono sempre l'un l'altro, e idem per coppie di ioni caricati negativamente.) Ciò implica che ad un certo distanza di equilibrio, le forze attrattive e repellenti si bilanciano e gli atomi rimarranno a questa distanza a meno che non siano disturbati da altri forze.

L'energia potenziale in una coppia atomo-atomo è definita negativa se gli atomi sono attratti l'uno dall'altro e positiva se gli atomi sono liberi di allontanarsi l'uno dall'altro. Alla distanza di equilibrio, l'energia potenziale tra l'atomo è al suo valore più basso (cioè più negativo). Questa è chiamata energia di legame dell'atomo in questione.

Una varietà di tipi di legami atomici punteggia il panorama della chimica molecolare. I più importanti per gli scopi attuali sono i legami ionici e i legami covalenti.

Fare riferimento alla discussione precedente sugli atomi che tendono a respingersi l'un l'altro da vicino principalmente a causa dell'interazione tra i loro elettroni. È stato anche notato che gli ioni con carica simile si respingono l'un l'altro, qualunque cosa accada. Tuttavia, se una coppia di ioni ha cariche opposte, ovvero se un atomo ha perso un elettrone per assumere la carica di +1 mentre un altro ha guadagnato un elettrone per assumere la carica di -1 – allora i due atomi sono fortemente attratti da ciascuno altro. La carica netta su ciascun atomo cancella qualsiasi effetto repellente possa avere i loro elettroni e gli atomi tendono a legarsi. Poiché questi legami sono tra ioni, sono chiamati legami ionici. Sale da tavola, costituito da cloruro di sodio (NaCl) e risultante da un legame di atomo di sodio caricato positivamente ad un atomo di cloro caricato negativamente per creare una molecola elettricamente neutra, esemplifica questo tipo di legame.

I legami covalenti derivano dagli stessi principi, ma questi legami non sono così forti a causa della presenza di forze in competizione un po' più equilibrate. Ad esempio, l'acqua (H₂O) ha due legami covalenti idrogeno-ossigeno. La ragione per cui questi legami si formano è principalmente perché le orbite elettroniche esterne degli atomi "vogliono" riempirsi di un certo numero di elettroni. Quel numero varia tra gli elementi e la condivisione di elettroni con altri atomi è un modo per raggiungere questo obiettivo anche quando significa superare modesti effetti repellenti. Le molecole che includono legami covalenti possono essere polari, il che significa che anche se la loro carica netta è zero, parti della molecola portano una carica positiva che è bilanciata da cariche negative altrove.

La scala di Pauling viene utilizzata per determinare quanto sia elettronegativo un dato elemento. (Questa scala prende il nome dal defunto scienziato vincitore del premio Nobel Linus Pauling.) Più alto è il valore, più desideroso un atomo è quello di attrarre elettroni verso di sé in scenari che si prestano alla possibilità di covalente legame.

L'elemento di rango più alto su questa scala è il fluoro, a cui viene assegnato un valore di 4.0. I più bassi sono i relativamente elementi oscuri cesio e francio, che fanno il check-in a 0.7. I legami covalenti "irregolari" o polari si verificano tra elementi con grandi differenze; in questi casi, gli elettroni condivisi sono più vicini a un atomo che all'altro. Se due atomi di un elemento si legano tra loro, come con un O₂ molecola, gli atomi sono ovviamente uguali in elettronegatività e gli elettroni si trovano ugualmente distanti da ciascun nucleo. Questo è un legame non polare.

La posizione di un elemento sulla tavola periodica offre informazioni generali sulla sua elettronegatività. Il valore dell'elettronegatività degli elementi aumenta da sinistra a destra e dal basso verso l'alto. La posizione del fluoro in alto a destra ne garantisce l'alto valore.

Come per la fisica atomica in generale, molto di ciò che è noto sul comportamento degli elettroni e dei legami è, sebbene sperimentalmente stabilito, in gran parte teorico a livello subatomico individuale particelle. Gli esperimenti per verificare esattamente cosa stanno facendo i singoli elettroni sono un problema tecnico, così come isolare i singoli atomi che contengono quegli elettroni. Negli esperimenti per testare l'elettronegatività, i valori sono stati tradizionalmente derivati, necessariamente, dalla media dei valori di un gran numero di singoli atomi.

Nel 2017, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare una tecnica chiamata microscopia elettronica a forza per esaminare i singoli atomi sulla superficie del silicio e misurare i loro valori di elettronegatività. Lo hanno fatto valutando il comportamento di legame del silicio con l'ossigeno quando i due elementi sono stati posti a distanze diverse l'uno dall'altro. Poiché la tecnologia continua a migliorare in fisica, la conoscenza umana sull'elettronegatività fiorirà ulteriormente.