Wyjaśnienie pojęcia elektroujemności

Elektroujemność to pojęcie w chemii molekularnej, które opisuje zdolność atomu do przyciągania elektronów do siebie. Im wyższa wartość liczbowa elektroujemności danego atomu, tym mocniej on rysuje ujemnie naładowane elektrony w kierunku dodatnio naładowanego jądra protonów i (z wyjątkiem wodoru) neutrony.

Ponieważ atomy nie istnieją w izolacji, a zamiast tego tworzą związki molekularne, łącząc się z innymi atomów, pojęcie elektroujemności jest ważne, ponieważ określa charakter wiązań między atomy. Atomy łączą się z innymi atomami w procesie dzielenia się elektronami, ale tak naprawdę można to postrzegać bardziej jako nierozwiązywalną grę w przeciąganie liny: atomy pozostają związane razem, ponieważ podczas gdy żaden atom nie „wygrywa”, ich zasadnicze wzajemne przyciąganie sprawia, że ​​ich wspólne elektrony poruszają się wokół jakiegoś dość dobrze określonego punktu pomiędzy im.

Atomy składają się z protonów i neutronów, które tworzą centrum lub jądro atomów, oraz elektronów, które „krążą” wokół jądra, podobnie jak bardzo małe planety lub komety wirujące z szaloną prędkością wokół maleńkie słońce. Proton ma ładunek dodatni 1,6 x 10

Określony typ lub odmiana atomu, zwany pierwiastkiem, jest zdefiniowany przez liczbę posiadanych protonów, zwaną liczbą atomową tego pierwiastka. Wodór o liczbie atomowej 1 ma jeden proton; uran, który ma 92 protony, jest odpowiednio numerem 92 w układzie okresowym pierwiastków (patrz Zasoby dla przykładu interaktywnego układu okresowego pierwiastków).

Kiedy atom ulega zmianie w liczbie protonów, nie jest już tym samym pierwiastkiem. Z drugiej strony, gdy atom zyskuje lub traci neutrony, pozostaje tym samym pierwiastkiem, ale jest izotop oryginalnej, najbardziej stabilnej chemicznie postaci. Kiedy atom zyskuje lub traci elektrony, ale poza tym pozostaje taki sam, nazywa się to an jon.

Elektrony, znajdujące się na fizycznych krawędziach tych mikroskopijnych układów, są składnikami atomów, które uczestniczą w wiązaniu się z innymi atomami.

Fakt, że jądra atomów są naładowane dodatnio, podczas gdy elektrony krążą po fizyczne prążki atomu są naładowane ujemnie determinują sposób interakcji poszczególnych atomów z jednym inne. Kiedy dwa atomy są bardzo blisko siebie, odpychają się bez względu na to, jakie pierwiastki reprezentują, ponieważ ich odpowiednie elektrony „spotykają się” jako pierwsze, a ładunki ujemne odpychają się od innych ujemnych opłaty. Ich odpowiednie jądra, choć nie tak blisko siebie jak ich elektrony, również odpychają się nawzajem. Jednak gdy atomy znajdują się w wystarczającej odległości od siebie, mają tendencję do przyciągania się nawzajem. (Jony, jak wkrótce się przekonasz, są wyjątkiem; dwa dodatnio naładowane jony zawsze będą się odpychać, i to samo dotyczy ujemnie naładowanych par jonów.) Oznacza to, że w pewnym odległość równowagowa, równowaga sił przyciągania i odpychania, a atomy pozostaną w tej odległości od siebie, chyba że zostaną zakłócone przez inne siły.

Energia potencjalna w parze atom-atom jest definiowana jako ujemna, jeśli atomy są przyciągane do siebie i dodatnia, jeśli atomy mogą swobodnie oddalać się od siebie. W odległości równowagowej energia potencjalna między atomem ma najniższą (tj. najbardziej ujemną) wartość. Nazywa się to energią wiązania danego atomu.

Różnorodność rodzajów wiązań atomowych wypełnia krajobraz chemii molekularnej. Najważniejsze dla obecnych celów są wiązania jonowe i wiązania kowalencyjne.

Odnieś się do poprzedniej dyskusji o atomach, które mają tendencję do odpychania się z bliska, głównie z powodu interakcji między ich elektronami. Zauważono również, że podobnie naładowane jony odpychają się bez względu na wszystko. Jeśli jednak para jonów ma przeciwne ładunki – to znaczy, jeśli jeden atom utracił elektron, aby przyjąć ładunek +1 podczas gdy inny zyskał elektron, aby przyjąć ładunek -1 – wtedy dwa atomy są do siebie bardzo silnie przyciągane inny. Ładunek wypadkowy na każdym atomie zaciera wszelkie odpychające efekty, jakie mogą mieć ich elektrony, a atomy mają tendencję do wiązania się. Ponieważ te wiązania znajdują się między jonami, nazywane są wiązaniami jonowymi. Sól kuchenna, składająca się z chlorku sodu (NaCl) i będąca wynikiem dodatnio naładowanego wiązania atomu sodu do ujemnie naładowanego atomu chloru w celu wytworzenia elektrycznie obojętnej cząsteczki, przykładem tego typu więź.

Wiązania kowalencyjne wynikają z tych samych zasad, ale te wiązania nie są tak silne ze względu na obecność nieco bardziej zrównoważonych sił konkurujących. Na przykład woda (H₂O) ma dwa kowalencyjne wiązania wodorowo-tlenowe. Powodem powstawania tych wiązań jest głównie to, że zewnętrzne orbity elektronowe atomów „chcą” wypełnić się pewną liczbą elektronów. Liczba ta różni się w zależności od pierwiastków, a współdzielenie elektronów z innymi atomami jest sposobem na osiągnięcie tego, nawet jeśli oznacza to pokonanie skromnych efektów odstraszających. Cząsteczki zawierające wiązania kowalencyjne mogą być polarne, co oznacza, że ​​chociaż ich ładunek netto wynosi zero, części cząsteczki niosą ładunek dodatni, który jest równoważony przez ładunki ujemne w innych miejscach.

Skala Paulinga służy do określenia, jak elektroujemny jest dany pierwiastek. (Ta skala bierze swoją nazwę od nieżyjącego już naukowca, laureata Nagrody Nobla, Linusa Paulinga.) Im wyższa wartość, tym więcej atom chętnie przyciąga elektrony do siebie w scenariuszach, w których istnieje możliwość kowalencji klejenie.

Najwyżej sklasyfikowanym pierwiastkiem w tej skali jest fluor, któremu przypisuje się wartość 4,0. Najniżej w rankingu są stosunkowo niejasne pierwiastki cez i frans, które meldują się przy 0,7. „Nierówne” lub polarne wiązania kowalencyjne występują między elementami o dużym różnice; w takich przypadkach wspólne elektrony leżą bliżej jednego atomu niż drugiego. Jeśli dwa atomy pierwiastka łączą się ze sobą, tak jak w przypadku O₂ atomy są oczywiście równe pod względem elektroujemności, a elektrony leżą jednakowo daleko od każdego jądra. To jest wiązanie niepolarne.

Pozycja pierwiastka w układzie okresowym daje ogólne informacje o jego elektroujemności. Wartość elektroujemności pierwiastków wzrasta od lewej do prawej oraz od dołu do góry. Umiejscowienie fluoru w prawym górnym rogu zapewnia jego wysoką wartość.

Podobnie jak w przypadku ogólnej fizyki atomowej, wiele z tego, co wiadomo o zachowaniu elektronów i wiązaniach jest, choć eksperymentalnie ustalona, ​​w dużej mierze teoretyczna na poziomie poszczególnych subatomowych cząstki. Eksperymenty sprawdzające dokładnie, co robią poszczególne elektrony, to problem techniczny, podobnie jak izolowanie pojedynczych atomów zawierających te elektrony. W eksperymentach mających na celu zbadanie elektroujemności, wartości tradycyjnie wyprowadzano z, z konieczności, uśredniania wartości bardzo wielu pojedynczych atomów.

W 2017 roku naukowcy byli w stanie wykorzystać technikę zwaną elektronową mikroskopią sił, aby zbadać poszczególne atomy na powierzchni krzemu i zmierzyć ich wartości elektroujemności. Zrobili to, oceniając zachowanie wiązania krzemu z tlenem, gdy dwa pierwiastki zostały umieszczone w różnych odległościach od siebie. Wraz z ciągłym ulepszaniem technologii w fizyce, ludzka wiedza na temat elektroujemności będzie dalej rozkwitać.