Vysvětlení tabulky elektronegativity: koncept, historie a hlavní stupnice

Jedním z velkých vědeckých úspěchů byl klasifikace a organizace chemických prvkůStudium vlastností hmoty sahá až do doby alchymistů; vědci v této oblasti si vždy uvědomovali důležitost zavedení klasifikačního systému, který by umožňoval uspořádané zacházení s prvky známými v každé epoše.

Odtud, po mnoha pokusech, známý tabulka elektronegativityÚzce souvisí s Mendělejevovou periodickou tabulkou, což je dosud nejefektivnější systém klasifikace a organizace, jaký máme. V ní jsou prvky uspořádány podle svého periodické vlastnosti Mezi nimi vyniká elektronegativita, což je míra schopnosti elektronů v jeho nejvzdálenější vrstvě kombinovat se s jinými atomy, ale o té si povíme podrobněji později.

Co je elektronegativita?

Než se ponoříme do tématu, je důležité ujasnit si, že veškerý materiál se skládá z atomyAtom je v klasických modelech elementární a nedělitelnou jednotkou hmoty a skládá se z centrálního jádra, kolem kterého jsou rozmístěny protony a neutrony, a elektronů v různých energetických hladinách nebo obalech. elektrony přítomné v nejvzdálenější slupce prvku, nazývaného valenční elektrony, ty, které určují schopnost každého materiálu tvořit sloučeniny.

Toto definuje elektronegativitu: tendence atomu přitahovat k sobě elektrony které sdílí s jiným atomem při vytvoření chemické vazby. Jinými slovy, elektronegativita měří schopnost atomu slučovat se prostřednictvím vazeb s jinými atomy a jak silně přitahuje sdílené elektrony.

Z praktického hlediska, elektronegativita:

• Umožňuje předpovědět typ vazby (iontové, polární kovalentní nebo nepolární kovalentní), které se vytvoří mezi dvěma atomy.
• Pomáhá pochopit, polarita molekul a jak je mezi nimi rozdělen částečný elektrický náboj.
• Ovlivňuje to chemická reaktivita prvků a sloučenin, což podmiňuje, jak snadno získávají nebo ztrácejí elektrony v reakcích.

Tento proces je primárně definován působením dvou veličin souvisejících s atomovou strukturou:

• Atomová hmotnost: Je to celková hmotnost protonů a neutronů v jednom atomu. Vyšší atomová hmotnost je obvykle spojena s větší atomový poloměr, což ovlivňuje sílu, s jakou jádro přitahuje valenční elektrony.
• Valenční elektrony: Jsou to záporně nabité částice nacházející se v nejvzdálenější vrstvě atomu, které tvoří počet částic dostupných pro výměnu při tvorbě sloučenin. Čím blíže je tato vrstva k jádru a tím je jádro nabitější, Čím větší je elektronegativita.

Kromě těchto faktorů hrají roli i následující: efektivní jaderný náboj (skutečná přitažlivost, kterou valenční elektron cítí k jádru, s přihlédnutím ke stínění vnitřních elektronů) a atomový poloměrMenší poloměr a větší efektivní jaderný náboj obvykle znamenají vyšší elektronegativitu.

Vývoj tabulky elektronegativity

Při hledání vhodné klasifikace prvků mnoho vědců rozvinulo představy o tom, jaký by mohl být vhodný systém, jehož prostřednictvím by bylo možné k prvkům přistupovat uspořádaným způsobem s ohledem na jejich chemické a fyzikální vlastnostiTato cesta se svými úspěchy i neúspěchy vedla k postupnému sestavení periodické tabulky a později k kvantifikace elektronegativity s použitím různých měřítek.

Následující vědci významně přispěli k vývoji současné tabulky elektronegativit:

• Antoine Lavoisier: Klasifikace prvků, kterou provedl tento vědec, byla provedena relativně libovolnýBez zohlednění dobře definovaného kritéria periodicity nebyla jeho klasifikace příliš úspěšná v predikci vlastností. Poskytla však výchozí bod pro rozlišení jednoduché a složené látky.
• Johann Doberiner: Tento vědec je známý vývojem Dobereinerovy triádyVypracoval studii, ve které seskupil prvky do skupin po třech a porovnáním zjistil, že jejich relativní atomové hmotnosti (které se stanoví pomocí hmotnostního spektrometru) a určité hodnoty jejich fyzikálních vlastností spolu souvisely. Proto je bylo možné předpovědět pomocí matematických aproximací. Britský chemik John Newlands Pracoval na základě Dobereinerova principu, a tak se mu podařilo uspořádat prvky v tabulce se seskupeními prvků s rostoucími relativními atomovými hmotnostmi; s tímto seskupením se Brit snažil vyvinout tabulku, kde by vzor periodických opakování fyzikálních vlastností prvků. Protože se taková opakování seskupovala kolem 8 prvků, byla označena názvem "Zákon oktáv".
• Lothar Mayer: Je známý pro rozšiřování znalostí v oblasti studia vztah mezi fyzikálními a atomovými vlastnostmi složek. Graficky znázornil atomový objem v závislosti na atomové hmotnosti a pozoroval periodicitu vlastností. Jeho práce doplňovala, ale zároveň byla nezávislá na práci Mendělejeva.
• Dmitrij Mendělejev: Na základě postulátů periodický zákonTento vědec vyvinul nejpřesnější klasifikaci prvků, která se používá dodnes (s úpravami, které zahrnují i ​​nově objevené prvky). Prvky klasifikoval především na základě jejich vlastností. atomové hmotnosti a chemické vlastnostiMěl tu předvídavost, že nechal políčka tam, kam se žádný prvek nevešel, protože předpokládal, že se tam vejde i neobjevený prvek. Známé prvky, které unikly parametrům uspořádání, byly označeny samostatně. namísto svévolného zahrnutí (chyba Lavoisier a Newlands). Později, s pokrokem kvantové teorie a konceptů elektronové afinity a ionizačních energií, se ukázalo, že je možné vztáhnout pozici v tabulce k elektronegativita.

Pokud jde o elektronegativitu v tabulce, obecné pravidlo je:

• Elektronegativita je hodnota, která Zvyšuje se při pohybu zleva doprava ve stejném období, a to v důsledku zvýšení efektivního jaderného zatížení.
• elektronegativita klesá při sestupu v rámci stejné skupinyprotože se zvětšuje atomový poloměr a valenční elektrony se nacházejí dále od jádra.
• Prvky nalezené v vpravo nahoře v tabulce (s výjimkou vzácných plynů) vykazují nejvyšší hodnoty elektronegativity, přičemž fluor je nejvíce elektronegativním prvkem.

Elektronegativita v periodické tabulce

Elektronegativita prvku závisí na několika faktorech, jako je například jeho protonové číslo, Jeho velikost nebo poloměr atomu a jaderný nábojObecně platí, že vysoce elektronegativní prvky, jako jsou nekovy umístěné vpravo v periodické tabulce, mají tendenci získat elektrony snadno tvořící anionty. Naproti tomu prvky s nízkou elektronegativitou, jako je většina kovů, mají tendenci vzdát se elektronů a tvoří kationty.

Rozdíly v elektronegativitě významně ovlivňují chemické a fyzikální vlastnosti sloučeninNěkolik důležitých příkladů:

• Pokud je rozdíl v elektronegativitě mezi dvěma atomy velký, existuje tendence ke vzniku iontové vazby, charakterizovaný téměř úplným přenosem elektronů z jednoho atomu na druhý.
• Pokud je rozdíl střední nebo malý, tvoří se kovalentní vazbyVe kterém atomy sdílejí elektrony; pokud rozdíl není nulový, vazba bude polární kovalentní a rozložení náboje bude nerovnoměrné.

V periodické tabulce lze pozorovat následující obecné trendy elektronegativity:

1. L žádné kovy Prvky mají obvykle vyšší elektronegativitu než kovy. Například fluor (F) má nejvyšší elektronegativitu, zatímco prvky jako cesium (Cs) nebo francium (Fr) mají velmi nízké hodnoty.
2. elektronegativita zvyšuje se v průběhu času (zleva doprava), v důsledku zvýšení jaderného náboje, který silněji přitahuje vazebné elektrony.
3. elektronegativita klesá s postupem o skupinu níže (shora dolů), protože se zvětšuje poloměr atomu a valenční elektrony jsou dále od jádra, což oslabuje přitažlivost.
4. L vzácné plyny Obecně vykazují velmi nízkou nebo prakticky nulovou elektronegativitu na Paulingově stupnici, protože mají úplnou valenční slupku a nemají tendenci získávat ani ztrácet elektrony.

Pro informaci, některé přibližné hodnoty elektronegativity na Paulingově stupnici jsou:

• Fluor (F): 3,98
• Kyslík (O): 3,44
• Dusík (N): 3,04
• Chlor (Cl): 3,16
• Uhlík (C): 2,55
• Vodík (H): 2,20
• Sodík (Na): 0,93
• Vápník (Ca): 1,00
• Franco (Fr): 0,70

Tyto hodnoty pomáhají rychle pochopit, které prvky mají tendenci přitahují elektrony více (jako je fluor nebo kyslík) a které je snadno uvolňují (jako je sodík nebo francium).

Váhy elektronegativity

Různé hodnoty elektronegativity určují typ vytvořené vazby; proto bylo studium tohoto procesu zajímavé a byl rozvinut výzkum různé stupnice kvantitativní. Mezi nejznámější patří Paulingova stupnice a Mullikenova stupnice.

Paulingova stupnice: Podle studií Linuse Paulinga bylo zjištěno, že elektronegativita je relativní vlastnost a proměnnáprotože částečně závisí na oxidačním stavu prvku a chemickém prostředí. Jeho pozorování umožnila určit, že pokud rozdíl mezi elektronegativitami Ze dvou atomů bylo možné předpovědět typ vazby, která se vytvoří, protože vytvořil numerickou stupnici založenou na energiích vazeb.

V Paulingově stupnici je fluor považován za nejvíce elektronegativní prvek s hodnotou blízkou 3,98 a hodnoty ostatních prvků se vypočítávají z něj. Obecná kritéria lze stanovit pomocí této stupnice:

• Iontová vazba: rozdíl elektronegativity větší nebo rovno 1,7Tato vazba obvykle vzniká mezi kovovými prvky (nízká elektronegativita) a nekovovými prvky (vysoká elektronegativita).
• Polární kovalentní vazba: když je rozdíl v intervalu přibližně 0,4 až 1,7V tomto případě jsou elektrony sdílené, ale posouvají se více směrem k elektronegativnějšímu atomu, čímž vzniká elektrické dipóly částečné.
• Nepolární kovalentní vazba: pro rozdíly rovné nebo menší než 0,4Elektrony jsou sdíleny téměř rovnoměrně, bez vytváření významných parciálních nábojů.

Tyto rozsahy jsou přibližné, ale jsou velmi užitečné pro předvídat chování odkazu a polaritu molekul.

Mullikenova stupnice: Je založen na Elektronická afinita prvků, což definuje jejich tendenci získávat záporný náboj, a tedy i jejich schopnost přijímat elektrony, a v ionizační potenciálykteré určují predispozici prvku k přijetí kladného náboje (kladně nabité prvky jsou ty, které darují elektrony ze své nejvzdálenější vrstvy). Na Mullikenově stupnici se elektronegativita vypočítává jako průměr ionizační energie a elektronové afinity prvku. Tato stupnice pracuje s průměrnými hodnotami vyjádřenými v energetických jednotkách a později ji lze převést na stupnici srovnatelnou s Paulingovou.

Ačkoli existují i ​​jiné stupnice (například Allred-Rochowova stupnice, založená na elektrostatické síle na valenční elektrony), Paulingova stupnice zůstává nejrozšířenější. nejpoužívanější ve výuce a periodické tabulky pro jeho jednoduchost a snadnou interpretaci trendů.

Praktické příklady elektronegativity a jejího významu

Pro lepší pochopení užitečnosti elektronegativity je užitečné podívat se na některé konkrétní příklady prvků a jak tato hodnota podmiňuje jeho vlastnosti:

• Vodík (H): Jeho elektronegativita je přibližně 2,2 na Paulingově stupnici. Je to nejlehčí prvek periodické tabulky a může se chovat podobně jako alkalické kovy (vzdáním svého jediného elektronu) nebo jako halogeny (sdílením nebo získáním elektronu), v závislosti na vazebném kontextu.
• Uhlík (C): S elektronegativitou kolem 2,55 tvoří četné kovalentní vazby a je základem organická chemieJeho střední hodnota mu umožňuje sdílet elektrony relativně vyváženým způsobem s mnoha prvky, což vytváří velmi rozmanité struktury.
• Dusík (N): Má elektronegativitu přibližně 3,04 a patří do skupiny žádné kovyMá tendenci získávat elektrony nebo je silně sdílet, což vysvětluje velkou stabilitu molekul, jako je molekulární dusík (N₂).₂).
• Kyslík (O): S elektronegativitou 3,44 silně přitahuje sdílené elektrony. To vysvětluje... polarita vody (H₂O), kde kyslík získává částečný záporný náboj a vodíky částečný kladný náboj.
• Vzácné plyny (například neon, Ne): vlastnictvím plné valenční vrstvyVykazují extrémně nízkou elektronegativitu na Paulingově stupnici, v mnoha případech až do té míry, že jsou považovány za prakticky nulovou, protože sotva tvoří chemické vazby.

Pochopení elektronegativity a trendů v periodické tabulce umožňuje studentům chemie a odborníkům vizualizovat tabulku jako skutečnou... „kniha receptů“Z polohy prvku lze odvodit, jak se bude chovat vůči ostatním, jaký typ vazby vytvoří a jaké bude rozložení nábojů ve výsledných molekulách.

Tímto způsobem se elektronegativita stává nezbytným nástrojem pro porozumět molekulární struktuře, reaktivitě a povaze vazeb které se tvoří mezi atomy, a to jak v anorganických, tak i organických a biochemických systémech.

Pochopení toho, co je elektronegativita, jak se mění v periodické tabulce a jak se vztahuje k různým škálám navrženým moderní chemií, umožňuje lepší interpretaci... každodenní chemické reakce, od tvorby solí a oxidů až po chování vody, kyselin, zásad a organických molekul přítomných v živých organismech a technologických materiálech.