Vysvetlenie konceptu elektronegativity

Elektronegativita je pojem v molekulárnej chémii, ktorý popisuje schopnosť atómu priťahovať elektróny k sebe. Čím vyššia je číselná hodnota elektronegativity daného atómu, tým silnejšie sa čerpá záporne nabité elektróny smerom k svojmu kladne nabitému jadru protónov a (okrem vodíka) neutróny.

Pretože atómy neexistujú izolovane a namiesto toho tvoria molekulárne zlúčeniny kombináciou s inými atómov je pojem elektronegativita dôležitý, pretože určuje povahu väzieb medzi nimi atómy. Atómy sa pripájajú k iným atómom prostredníctvom procesu zdieľania elektrónov, ale na to sa dá skutočne pozerať skôr ako na neriešiteľnú hru preťahovania lanom: Atómy zostávajú spojené spolu, pretože zatiaľ čo ani jeden atóm „nevyhrá“, ich podstatná vzájomná príťažlivosť udržuje ich zdieľané elektróny v priblížení okolo pomerne dobre definovaného bodu medzi ich.

Atómy pozostávajú z protónov a neutrónov, ktoré tvoria stred alebo jadro atómov, a elektrónov, ktoré „obiehajú“ okolo jadra, skôr ako veľmi malé planéty alebo kométy víriace šialenými rýchlosťami okolo a miniatúrne slnko. Protón nesie kladný náboj 1,6 x 10

Konkrétny typ alebo variácia atómu, nazývaná prvok, je definovaná počtom protónov, ktoré má, a nazýva sa atómovým číslom daného prvku. Vodík s atómovým číslom 1 má jeden protón; urán, ktorý má 92 protónov, je zodpovedajúcim číslom 92 v periodickej tabuľke prvkov (príklad interaktívnej periodickej tabuľky nájdete v dokumente Zdroje).

Keď atóm prechádza zmenou počtu protónov, už to nie je ten istý prvok. Keď atóm získava alebo stráca neutróny, zostáva na druhej strane tým istým prvkom, ale je ním izotop pôvodnej chemicky najstabilnejšej formy. Keď atómy získavajú alebo strácajú elektróny, ale inak zostávajú rovnaké, nazýva sa to ión.

Elektróny, ktoré sú na fyzických okrajoch týchto mikroskopických usporiadaní, sú zložkami atómov, ktoré sa podieľajú na väzbe s inými atómami.

Skutočnosť, že jadrá atómov sú pozitívne nabité, zatiaľ čo elektróny sa krútia okolo na fyzické okraje atómov sú negatívne nabité, určuje spôsob interakcie jednotlivých atómov s jedným ďalší. Keď sú dva atómy veľmi blízko seba, navzájom sa odpudzujú bez ohľadu na to, aké prvky predstavujú, pretože ich príslušné elektróny sa „stretnú“ najskôr navzájom a záporné náboje tlačia proti iným záporným poplatky. Ich príslušné jadrá, aj keď nie sú tak blízko pri sebe, ako ich elektróny, sa tiež navzájom odpudzujú. Ak sú atómy v dostatočnej vzdialenosti od seba, majú tendenciu sa navzájom priťahovať. (Ióny, ako čoskoro uvidíte, sú výnimkou; dva kladne nabité ióny sa vždy navzájom odpudia a to isté platí pre záporne nabité iónové páry.) To znamená, že pri určitom rovnovážna vzdialenosť, atraktívne a odpudzujúce sily sa vyrovnajú a atómy zostanú v tejto vzdialenosti od seba, pokiaľ nebudú narušené inými sily.

Potenciálna energia v páre atóm-atóm je definovaná ako negatívna, ak sú atómy priťahované navzájom, a pozitívna, ak sa atómy môžu voľne vzďaľovať. V rovnovážnej vzdialenosti je potenciálna energia medzi atómom na svojej najnižšej (t.j. najnegatívnejšej) hodnote. Toto sa nazýva väzbová energia daného atómu.

Rôzne typy atómových väzieb korenia krajinu molekulárnej chémie. Najdôležitejšie pre súčasné účely sú iónové väzby a kovalentné väzby.

Pozrite si predchádzajúcu diskusiu o atómoch, ktoré majú tendenciu sa navzájom odpudzovať, a to primárne kvôli interakcii medzi ich elektrónmi. Poznamenalo sa tiež, že podobne nabité ióny sa navzájom odpudzujú, nech sa deje čokoľvek. Ak má však dvojica iónov opačné náboje - teda ak jeden atóm stratil elektrón, predpokladá sa náboj +1 zatiaľ čo ďalší získal elektrón, aby získal náboj -1 - potom sú dva atómy veľmi silno priťahované ku každému iné. Čistý náboj na každom atóme vyhladzuje akékoľvek odpudzujúce účinky, ktoré môžu mať ich elektróny, a atómy majú tendenciu sa viazať. Pretože tieto väzby sú medzi iónmi, nazývajú sa iónové väzby. Stolová soľ pozostávajúca z chloridu sodného (NaCl) a ktorá je výsledkom väzby kladne nabitého atómu sodíka na záporne nabitý atóm chlóru, aby sa vytvorila elektricky neutrálna molekula, je príkladom tohto typu väzba.

Kovalentné väzby vychádzajú z rovnakých princípov, ale tieto väzby nie sú také silné kvôli prítomnosti trochu vyváženejších konkurenčných síl. Napríklad voda (H₂O) má dve kovalentné väzby vodík-kyslík. Tieto väzby sa vytvárajú hlavne preto, lebo vonkajšie elektrónové dráhy atómov sa „chcú“ naplniť určitým počtom elektrónov. Toto číslo sa medzi jednotlivými prvkami líši a zdieľanie elektrónov s inými atómami je spôsob, ako to dosiahnuť, aj keď to znamená prekonať mierne odpudzujúce účinky. Molekuly, ktoré zahŕňajú kovalentné väzby, môžu byť polárne, čo znamená, že aj keď je ich čistý náboj nulový, časti molekuly nesú pozitívny náboj, ktorý je inde vyvážený zápornými nábojmi.

Paulingova stupnica sa používa na určenie toho, aký elektronegatívny je daný prvok. (Táto stupnica nesie svoje meno od vedca Linusa Paulinga, nositeľa Nobelovej ceny.) Čím vyššia hodnota, tým viac dychtivým atómom je prilákať elektróny k sebe v scenároch, ktoré by umožňovali kovalenciu lepenie.

Najvyššie položeným prvkom na tejto stupnici je fluór, ktorému bola pridelená hodnota 4,0. Najnižšie sú na tom relatívne nejasné prvky cézium a francium, ktoré sa prihlásia o 0,7. Medzi prvkami s veľkými sa vyskytujú „nerovnomerné“ alebo polárne kovalentné väzby rozdiely; v týchto prípadoch ležia zdieľané elektróny bližšie k jednému atómu ako k druhému. Ak sa dva atómy prvku navzájom spájajú, ako s O₂ molekuly, sú si elektróny zjavne rovnaké v elektronegativite a elektróny ležia rovnako ďaleko od každého jadra. Toto je nepolárna väzba.

Poloha prvku v periodickej tabuľke ponúka všeobecné informácie o jeho elektronegativite. Hodnota elektronegativity prvkov sa zvyšuje zľava doprava aj zdola nahor. Pozícia fluóru vpravo hore zaručuje jeho vysokú hodnotu.

Rovnako ako v prípade atómovej fyziky všeobecne, aj tu je veľa poznatkov o chovaní elektrónov a väzieb je, zatiaľ čo je experimentálne stanovené, do značnej miery teoretický na úrovni jednotlivých subatomárnych častice. Pokusy presne overiť, čo jednotlivé elektróny robia, sú technickým problémom, rovnako ako izolácia jednotlivých atómov obsahujúcich tieto elektróny. V experimentoch na testovanie elektronegativity boli hodnoty tradične odvodené z nevyhnutnosti spriemerovania hodnôt veľkého množstva jednotlivých atómov.

V roku 2017 mohli vedci pomocou techniky nazývanej elektronová silová mikroskopia preskúmať jednotlivé atómy na povrchu kremíka a zmerať ich hodnoty elektronegativity. Urobili to hodnotením väzbového správania kremíka s kyslíkom, keď boli tieto dva prvky umiestnené v rôznych vzdialenostiach. Ako sa bude technológia naďalej zdokonaľovať vo fyzike, budú ľudské vedomosti o elektronegativite ďalej prekvitať.