Az elektronegativitási táblázat magyarázata: koncepció, történelem és főbb skálák

Az egyik legnagyobb tudományos eredmény az volt, a kémiai elemek osztályozása és szerveződéseAz anyag tulajdonságainak tanulmányozása az alkimisták idejére nyúlik vissza; a terület tudósai mindig szem előtt tartották egy olyan osztályozási rendszer létrehozásának fontosságát, amely lehetővé teszi az egyes korszakokban ismert elemek rendezett kezelését.

Innen, számos próbálkozás után, a jól ismert elektronegativitási táblázatSzorosan kapcsolódik Mengyelejev periódusos rendszeréhez, amely a mai napig a leghatékonyabb osztályozási és szervezőrendszerünk. Ebben az elemek a helyük szerint vannak elrendezve. periodikus tulajdonságok Közülük kiemelkedik az elektronegativitás, amely a legkülső héjon lévő elektronok más atomokkal való egyesülési képességének mértéke, de erről később részletesebben beszélünk.

Mi az elektronegativitás?

Mielőtt belemennénk a témába, fontos tisztázni, hogy az összes anyag a következőkből áll: atomokAz atom az anyag elemi és oszthatatlan egysége a klasszikus modellekben, amely egy központi magból áll, amely körül a protonok és a neutronok eloszlanak, valamint különböző energiaszinteken vagy héjakon lévő elektronokból. a legkülső héjon található elektronok az elemnek, az úgynevezett vegyérték elektronok, azok, amelyek meghatározzák az egyes anyagok vegyületképző képességét.

Ez definiálja az elektronegativitást: az atomok azon képessége, hogy elektronokat vonzanak magukhoz amelyet egy másik atommal megoszt, amikor kémiai kötés alakul ki. Más szóval, az elektronegativitás azt méri, hogy az atom milyen erősen vonzza a megosztott elektronokat, és hogy mennyi kötést tud létrehozni más atomokkal.

Gyakorlati szempontból az elektronegativitás:

• ez lehetővé teszi, megjósolni a kötvény típusát (ionos, poláris kovalens vagy apoláris kovalens), amely két atom között képződik.
• Segít megérteni a a molekulák polaritása és hogyan oszlik meg közöttük a parciális elektromos töltés.
• Befolyásolja a kémiai reakcióképesség az elemek és vegyületek sajátosságai, amelyek befolyásolják, hogy milyen könnyen vesznek fel vagy veszítenek elektronokat a reakciók során.

Ezt a folyamatot elsősorban két, az atomszerkezethez kapcsolódó nagyságrend hatása határozza meg:

• Atomtömeg: Ez az egyetlen atomban lévő protonok és neutronok teljes tömege. A nagyobb atomtömeg általában egy ... nagyobb atomrádiusz, ami befolyásolja, hogy az atommag milyen erősen vonzza a vegyértékelektronokat.
• Vegyérték elektronok: Ezek a negatív töltésű részecskék, amelyek az atom legkülső héjában helyezkednek el, és amelyek a vegyületek képződése során kicserélhető részecskék számát alkotják. Minél közelebb van ez a héj a maghoz, annál töltésűbb a mag, Minél nagyobb az elektronegativitás.

Ezen tényezők mellett a következők is szerepet játszanak: effektív nukleáris töltet (a vegyértékelektron által az atommag iránt érzett tényleges vonzás, figyelembe véve a belső elektronok árnyékolását) és a atomrádiuszA kisebb sugár és a nagyobb effektív magtöltés általában nagyobb elektronegativitást jelent.

Az elektronegativitási táblázat kidolgozása

Az elemek megfelelő osztályozásának keresése során számos tudós ötleteket dolgozott ki arról, hogy mi lehetne az a megfelelő rendszer, amelyen keresztül az elemek rendezett módon, figyelembe véve azok szerkezetét és szerkezetét, hozzáférhetők lennének. kémiai és fizikai tulajdonságokEz az út, sikereivel és kudarcaival együtt, a periódusos rendszer fokozatos felépítéséhez, majd később a elektronegativitás számszerűsítése különböző skálák használatával.

A következő tudósok tettek jelentős hozzájárulást, amelyek hozzájárultak az elektronegativitások jelenlegi táblázatának kialakításához:

• Antoine Lavoisier: Az elemeknek ez a tudós általi osztályozása viszonylag rövid időn belül történt. önkényesEgy jól definiált periodicitási kritérium figyelembevétele nélkül az osztályozása nem volt túl sikeres a tulajdonságok előrejelzésében. Kiindulópontot biztosított azonban a differenciáláshoz egyszerű és összetett anyagok.
• Johann Doberiner: Ez a tudós a következő fejlesztésről ismert: Dobereiner-triászokKidolgozott egy tanulmányt, amelyben az elemeket három csoportba sorolta, és összehasonlítások segítségével megállapította, hogy relatív atomtömegük (amelyeket tömegspektrométerrel határozunk meg) és fizikai tulajdonságaik bizonyos értékei összefüggésben álltak egymással. Ezért matematikai közelítésekkel meg lehetett jósolni őket. A brit vegyész John newlands Dobereiner által kidolgozott elvek alapján dolgozott, és így sikerült az elemeket egy táblázatba rendeznie, növekvő relatív atomtömegű elemek csoportosításával; ezzel a csoportosítással a brit egy olyan táblázat kidolgozására törekedett, ahol a periodikus ismétlődések mintázata az elemek fizikai tulajdonságairól. Mivel az ilyen ismétlődéseket 8 elem köré csoportosították, a névvel jelölték őket "Oktávok törvénye".
• Lothar Mayer: Ismert arról, hogy bővítette ismereteit a tanulmányok területén. a fizikai és atomi tulajdonságok közötti kapcsolat az alkotóelemek közül. Grafikusan ábrázolta az atomtérfogatot az atomtömeg függvényében, és megfigyelte a tulajdonságok periodicitását. Munkája kiegészítette Mengyelejev munkáját, mégis független volt tőle.
• Dmitri Mendelejev: A posztulátumok alapján periodikus törvényEz a tudós dolgozta ki az elemek legpontosabb osztályozását, amelyet ma is használnak (módosításokkal, hogy magában foglalja az újonnan felfedezett elemeket is). Az elemeket elsősorban tulajdonságaik alapján osztályozta. atomtömegek és kémiai tulajdonságokElőrelátó volt abban, hogy olyan mezőket hagyjon, ahová egyetlen elem sem illett, arra számítva, hogy egy felfedezetlen elem is oda fog illeni. Azokat az ismert elemeket, amelyek kimaradtak a rendezési paraméterekből, külön jelölte. ahelyett, hogy önkényesen bekerült volna (Lavoisier és Newlands hibája). Később, a kvantumelmélet fejlődésével, valamint az elektronaffinitás és az ionizációs energiák koncepciójának kidolgozásával lehetővé vált a táblázatban szereplő pozíció összekapcsolása a elektronegativitás.

A táblázatban szereplő elektronegativitással kapcsolatban az általános szabály a következő:

• Az elektronegativitás egy olyan érték, amely Balról jobbra haladva növekszik ugyanebben az időszakban, a tényleges nukleáris terhelés növekedése miatt.
• elektronegativitás csökken, ha ugyanazon csoporton belül lejjebb ereszkedikmert az atom sugara megnő, és a vegyértékelektronok távolabb helyezkednek el a magtól.
• Az elemek, amelyek a a táblázat jobb felső sarkában (a nemesgázok kivételével) mutatják a legmagasabb elektronegativitási értékeket, a fluor a legelektronegatívabb elem.

Elektronegativitás a periódusos rendszerben

Egy elem elektronegativitása számos tényezőtől függ, például atomszám, su atomméret vagy sugár és nukleáris töltetÁltalánosságban elmondható, hogy az erősen elektronegatív elemek, mint például a periódusos rendszer jobb oldalán elhelyezkedő nemfémek, hajlamosak elektronokat nyerni könnyen, anionokat képezve. Ezzel szemben az alacsony elektronegativitású elemek, mint például a legtöbb fém, hajlamosak elektronokat adnak le és kationokat képeznek.

Az elektronegativitás különbségei jelentősen befolyásolják a vegyületek kémiai és fizikai tulajdonságaiNéhány fontos példa:

• Amikor két atom elektronegativitása között nagy a különbség, hajlamosak a képződésre ionos kötések, amelyet az elektronok szinte teljes átvitele jellemez egyik atomról a másikra.
• Amikor a különbség közepes vagy kicsi, akkor kialakulnak kovalens kötésekAmelyben az atomok elektronokat osztanak meg; ha a különbség nem nulla, a kötés poláris kovalens lesz, és a töltéseloszlás egyenlőtlen.

A periódusos rendszerben a következők figyelhetők meg általános elektronegativitási trendek:

1. sok nincsenek fémek Az elemek jellemzően magasabb elektronegativitással rendelkeznek, mint a fémek. Például a fluor (F) rendelkezik a legnagyobb elektronegativitással, míg az olyan elemek, mint a cézium (Cs) vagy a francium (Fr), nagyon alacsony értékekkel rendelkeznek.
2. elektronegativitás egy időszak alatt növekszik (balról jobbra), a megnövekedett magtöltés miatt, amely erősebben vonzza a kötőelektronokat.
3. elektronegativitás csökken, ahogy lefelé haladsz egy csoportban (felülről lefelé), mivel az atom sugara növekszik, és a vegyértékelektronok távolabb vannak a magtól, ami gyengíti a vonzást.
4. sok nemesgázok Általában nagyon alacsony vagy gyakorlatilag nulla elektronegativitást mutatnak a Pauling-skálán, mivel teljes vegyértékhéjjal rendelkeznek, és nem hajlamosak elektronokat felvenni vagy leadni.

Referenciaként néhány hozzávetőleges elektronegativitási érték a Pauling-skálán:

• Fluor (F): 3,98
• Oxigén (O): 3,44
• Nitrogén (N): 3,04
• Klór (Cl): 3,16
• Szén (C): 2,55
• Hidrogén (H): 2,20
• Nátrium (Na): 0,93
• Kalcium (Ca): 1,00
• Francio (francia): 0,70

Ezek az értékek segítenek gyorsan megérteni, hogy mely elemek hajlamosak jobban vonzzák az elektronokat (például fluor vagy oxigén), és melyek adják le őket könnyen (például nátrium vagy francium).

Elektronegativitási skálák

A különböző elektronegativitási értékek meghatározzák a kialakult kötés típusát; ezért a folyamat tanulmányozása érdekes volt, és kutatásokat végeztek. különböző skálák kvantitatív. Közülük a legismertebbek a Pauling-skála és a Mulliken-skála.

Pauling-skála: Linus Pauling tanulmányai szerint az elektronegativitás egy relatív tulajdonság és változómivel részben az elem oxidációs állapotától és a kémiai környezettől függ. Megfigyelései lehetővé tették annak megállapítását, hogy ha egy elektronegativitások közötti különbség Két atomból meg lehetett jósolni a kialakuló kötés típusát, mivel a kötési energiák alapján numerikus skálát hozott létre.

A Pauling-skálán a fluort vesszük a legelektronegatívabb elemnek, amelynek értéke közel 3,98, és ebből számítjuk ki a többi elem értékeit. Általános kritériumok állapíthatók meg ezzel a skálával:

• Ionos kötés: elektronegativitási különbség nagyobb vagy egyenlő, mint 1,7Ez a kötés általában fémes elemek (alacsony elektronegativitás) és nemfémes elemek (nagy elektronegativitás) között fordul elő.
• poláris kovalens kötés: amikor a különbség a következő intervallumon belül van: körülbelül 0,4–1,7Ebben az esetben az elektronok megoszlanak, de jobban eltolódnak az elektronegatívabb atom felé, ami elektromos dipólusok részlegesek.
• Nem poláris kovalens kötés: a különbségekért egyenlő vagy kisebb, mint 0,4Az elektronok szinte egyenlően oszlanak meg, jelentős részleges töltések keletkezése nélkül.

Ezek a tartományok hozzávetőlegesek, de nagyon hasznosak a következőkhöz: link viselkedésének előrejelzése és a molekulák polaritása.

Mulliken skála: Alapja a elektron affinitás az elemek közül, ami meghatározza a negatív töltés felvételére való hajlamukat, és ezáltal az elektronfelvételre való képességüket, valamint a ionizációs potenciálokamelyek meghatározzák az elem hajlamát a pozitív töltés felvételére (a pozitív töltésű elemek azok, amelyek elektronokat adnak le a legkülső héjukról). A Mulliken-skálán az elektronegativitást a következőképpen számítják ki: az ionizációs energia és az elektronaffinitás átlaga egy elem. Ez a skála energiaegységekben kifejezett átlagértékekkel dolgozik, és később Pauling skálájához hasonló skálára konvertálható.

Bár léteznek más skálák is (például az Allred-Rochow-skála, amely a vegyértékelektronokra ható elektrosztatikus erőn alapul), Pauling-skála továbbra is a legszélesebb körben elfogadott. leggyakrabban az oktatásban és a periódusos táblázatokban használják az egyszerűsége és a trendek értelmezésének könnyűsége miatt.

Az elektronegativitás gyakorlati példái és jelentősége

Az elektronegativitás hasznosságának jobb megértéséhez hasznos megvizsgálni néhányat elemek konkrét példái és hogyan befolyásolja ez az érték a tulajdonságait:

• Hidrogén (H): Elektronegativitása a Pauling-skálán körülbelül 2,2. Ez a legkönnyebb elem a periódusos rendszer része, és a kötési kontextustól függően hasonlóan viselkedhet, mint az alkálifémek (leadja egyetlen elektronját) vagy a halogének (megoszt egy elektront vagy felvesz egyet).
• Szén (C): körülbelül 2,55 elektronegativitással számos kovalens kötést képez, és az alapja a szerves kémiaKöztes értéke lehetővé teszi, hogy viszonylag kiegyensúlyozott módon ossza meg az elektronokat számos elemmel, nagyon változatos struktúrákat létrehozva.
• Nitrogén (N): Elektronegativitása körülbelül 3,04, és a következő csoportba tartozik: nincsenek fémekHajlamos elektronokat felvenni, vagy erősen megosztani azokat, ami magyarázza az olyan molekulák nagy stabilitását, mint a molekuláris nitrogén (N₂).₂).
• Oxigén (O): 3,44-es elektronegativitásával erősen vonzza a megosztott elektronokat. Ez magyarázza a a víz polaritása (H₂O), ahol az oxigén részlegesen negatív, a hidrogének pedig részlegesen pozitív töltést vesznek fel.
• Nemesgázok (például neon, Ne): birtoklásával teljes vegyértékű héjakRendkívül alacsony elektronegativitást mutatnak a Pauling-skálán, sok esetben gyakorlatilag nullának tekintik őket, mivel alig képeznek kémiai kötéseket.

Az elektronegativitás és a periódusos rendszer trendjeinek megértése lehetővé teszi a kémia szakos hallgatók és szakemberek számára, hogy a táblázatot valódi rendszerként képzeljék el. „receptkönyv”Egy elem helyzetéből következtetni lehet arra, hogyan fog viselkedni másokkal szemben, milyen típusú kötést képez, és milyen lesz a töltések eloszlása ​​a keletkező molekulákon belül.

Ily módon az elektronegativitás alapvető eszközzé válik megérteni a molekulaszerkezetet, a reakcióképességet és a kötések természetét amelyek atomok között alakulnak ki, mind szervetlen, mind szerves, mind biokémiai rendszerekben.

Az elektronegativitás megértése, annak változása a periódusos rendszerben, és a modern kémia által javasolt különböző skálákhoz való viszonya lehetővé teszi a jelenség jobb értelmezését. mindennapi kémiai reakciók, a sók és oxidok képződésétől kezdve az élő szervezetekben és technológiai anyagokban jelen lévő víz, savak, bázisok és szerves molekulák viselkedéséig.