Електроотрицателност — определение, тенденции и скала на Паулинг

Електроотрицателността, символ χ, е химично свойство, което показва доколко даден атом може да привлича електрони към себе си. Електроотрицателността на атома се влияе от атомния номер на атома и разстоянието между валентните електрони на атома (най-външните електрони, които участват в химичната връзка) и ядрото му. За първи път тя е теоретично обоснована от Линус Полинг през 1932 г. като част от неговата теория за валентните връзки и е свързана с други химични свойства. Като цяло електроотрицателността се увеличава от долния ляв ъгъл към горния десен ъгъл на периодичната таблица; това е известно като периодична тенденция.

Съществуват много начини за изчисляване на електроотрицателността на даден атом. Най-разпространеният начин за изчисление е този, предложен от Линус Паулинг, и дава относителната скала на Паулинг. Тази скала дава на елементите безразмерни величини (стойности) между 0,7 и 3,98, като водородът има стойност 2,20.

Противоположността на електроотрицателността е електроположителността - мярката за това колко добре даден атом отдава електрони.

Фактори, които определят електроотрицателността

Атомен номер (ядрен заряд): По-голям положителен заряд на ядрото привлича електроните по-силно и обикновено увеличава електроотрицателността.
Радиус и разстояние до валентните електрони: Колкото по-близо са валентните електрони до ядрото, толкова по-силно ще ги привлича атомът.
Екран effect (shielding): Вътрешните електронни слоеве намаляват ефективното ядрено привличане върху валентните електрони и понижават електроотрицателността.
Електронна конфигурация: Попълването на подчертавания и стабилността на електронните слоеве влияят върху склонността за прихващане на допълнителни електрони.

Периодична тенденция и практически следствия

Електроотрицателността нараства в рамките на период (ляво надясно) и намалява надолу в група (отгоре надолу).
Най-висока стойност на скалата на Паулинг има флуорът (χ ≈ 3,98), а най-ниските стойности се срещат при тежките алкални метали (приблизително ~0,7–0,8).
Разликата в електроотрицателността между два свързани атома определя полярността на връзката: голяма разлика означава по-йонен характер, малка разлика — ковалентна, а междинни стойности — полярна ковалентна връзка. Често за ориентир се използва прагово Δχ ≈ 1,7 — над тази стойност връзката има силно йонен характер (но това е приближено правило).
Електроотрицателността помага да се предскажат частични заряди в молекулите, киселинност/основност, реакционна способност и полярност на молекулите.

Как се измерва и какви алтернативни скали съществуват

Скала на Паулинг: Паулинг свързва разликата в електроотрицателностите χA и χB с енергиите на връзките чрез формула от вида χA − χB = sqrt(EAB − (EAA + EBB)/2), където E обозначава енергията (в подходящи единици) на съответната връзка. Това дава относителни стойности, пригодени така че водородът да има 2,20.

Други често използвани скали:

Мюликенова (Mulliken): дефинира електроотрицателността като средна стойност на енергията, необходима за отстраняване на електрон (енергия на йонизация) и енергията, отделена при присъединяване на електрон (електронен афинитет): χ = (IE + EA)/2. Дават се в енергийни единици и често се скалират за сравнение със скалата на Паулинг.
Allred–Rochow: базира се на ефективен ядрен заряд и ковалентен радиус, свързана с електростатичното привличане на електронната плътност.
Allen: използва средна енергия на валентните електрони в атома в газов стадий.

Примери и приложения

Водород (χ = 2,20) — често участва в полярни връзки с по-електроотрицателни елементи (напр. O, N), което води до частичен положителен заряд върху H и до образуване на водородни връзки.
Флуор (χ ≈ 3,98) — най-електроотрицателният елемент; в съединенията си привлича електронната плътност силно върху себе си.
Метали като натрий и калий — ниски стойности на χ, лесно отдават електрони и формират йонни съединения с неметали.
Химична реактивност: всяка промяна в електроотрицателността на централния атом влияе върху кислородните киселини, солвентните ефекти и механизма на редица органични реакции.

Ограничения и важни наблюдения

Електроотрицателността е относителна величина и зависи от метода на определяне — стойностите варират между различните скали.
В молекулна среда „ефективната електроотрицателност“ на атом може да се променя в сравнение с газофазни стойности, тъй като свързването и химичните среди влияят върху разпределението на електроните.
За преходните метали и лантаноидите оценката е по-сложна, тъй като свързването включва d- и f-електрони ирадиални корекции на радиусите и ефективните ядрен заряди.

В резюме, електроотрицателността е ключово и широко използвано понятие в химията за разбиране и прогнозиране на характера на химичните връзки, полярността на молекулите и реакционното поведение. За точни количествени прогнози е важно да се има предвид коя скала е използвана и в какъв химичен контекст се прилагат стойностите.

Начини за изчисляване на електроотрицателността

Електроотрицателност на Паулинг

Паулинг предлага идеята за електроотрицателността през 1932 г., за да обясни защо силата на ковалентната връзка между два различни атома (A-B) е по-силна от средната стойност на силата на ковалентните връзки A-A и B-B. Според неговата теория за валентната връзка тази по-силна връзка между различни атоми се дължи на йонните ефекти на връзката.

Разликата между електроотрицателността на атом А и атом В е

χ A - χ B = ( e V ) - 1 / 2 E d ( A B ) - [ E d ( A A ) + E d ( B B ) ] / 2 {\displaystyle \chi _{\rm {A}}-\chi _{\rm {B}}=({\rm {eV}})^{-1/2}{\sqrt {E_{\rm {d}}({\rm {AB}})-[E_{\rm {d}}({\rm {AA}})+E_{\rm {d}}({\rm {BB}})]/2}}} $\chi _{\rm {A}}-\chi _{\rm {B}}=({\rm {eV}})^{-1/2}{\sqrt {E_{\rm {d}}({\rm {AB}})-[E_{\rm {d}}({\rm {AA}})+E_{\rm {d}}({\rm {BB}})]/2}}$

където енергиите на дисоциация (т.е. енергията, необходима за разрушаване на връзката между атомите), _{Ed, на} връзките A-B, A-A и B-B са дадени в електронволти, а коефициентът (eV)^{-½ е} добавен, за да се гарантира, че крайният отговор няма единица. С помощта на горната формула можем да изчислим, че разликата в елекронното число на водорода и брома е 0,73. (енергии на дисоциация: H-Br, 3,79 eV; H-H, 4,52 eV; Br-Br, 2,00 eV)

Горното уравнение изчислява само разликата в електроотрицателността на два елемента. За да се направи скала от уравнението, трябва да се избере референтна точка. Водородът е избран за отправна точка, тъй като той се свързва ковалентно с много елементи. Първоначално електроотрицателността на водорода е била определена на 2,1, но по-късно е променена на 2,20. Друго нещо, което трябва да се знае, за да се състави скала на електроотрицателността, е кой елемент е по-електроотрицателен от референтната точка, която е водородът. Това често се прави с помощта на така наречената "химическа интуиция": в горния пример водородният бромид (H-Br) се разтваря във вода и се разпада на катион H+ и анион Br-. Така че може да се предположи, че бромът е по-електроотрицателен от водорода.

За да се изчисли електроотрицателността на Паулинг за даден елемент, са необходими данни за енергиите на дисоциация на поне два вида ковалентни връзки, създавани от елемента. През 1961 г. А. Л. Олред подобрява първоначалните данни на Полинг, за да включи термодинамичните данни, които са много по-достъпни. Тези "ревизирани стойности на електроотрицателността на Паулинг" се използват по-често.

Електропозитивност

Електропозитивността е мярка за способността на даден елемент да отдава електрони и да образува положителни йони.

Това е предимно характеристика на металите. Алкалните метали имат един-единствен електрон във външната си обвивка и той лесно се губи. Тези метали имат ниски йонизационни енергии.

Въпроси и отговори

В: Какво е електроотрицателност?

О: Електроотрицателността е химично свойство, което измерва доколко един атом може да привлича електрони към себе си.

В: Какво влияе на електроотрицателността на един атом?

О: Електроотрицателността на атома се влияе от неговия атомен номер и разстоянието между валентните му електрони и ядрото му.

Въпрос: Кой пръв е теоретично обосновал понятието електроотрицателност?

О: Концепцията за електроотрицателност е изложена за първи път от Линус Полинг през 1932 г. като част от неговата теория за валентните връзки.

В: Каква е периодичната тенденция на електроотрицателността?

О: Периодичната тенденция на електроотрицателността се изразява в това, че тя обикновено нараства от долния ляв ъгъл към горния десен ъгъл на периодичната таблица.

В: Как се изчислява електроотрицателността?

О: Съществуват много начини за изчисляване на електроотрицателността на атома, но най-разпространеният е този, предложен от Линус Паулинг, който дава относителната скала на Паулинг.

В: Какъв е диапазонът от стойности за относителната скала на Паулинг?

О: Относителната скала на Паулинг дава на елементите безразмерни величини (стойности) между 0,7 и 3,98, като водородът е с 2,20.

В: Какво е противоположното на електроотрицателността?

О: Противоположността на електроотрицателността е електроположителността, която измерва колко добре даден атом отдава електрони.