Wyjaśnienie tabeli elektroujemności: koncepcja, historia i główne skale

Jednym z największych osiągnięć naukowych było klasyfikacja i organizacja pierwiastków chemicznychBadania właściwości materii sięgają czasów alchemików; naukowcy zajmujący się tą dziedziną zawsze pamiętali o tym, jak ważne jest stworzenie systemu klasyfikacji, który pozwalałby na uporządkowanie pierwiastków znanych w danej epoce.

Stamtąd, po wielu próbach, dobrze znany tabela elektroujemnościJest ona ściśle związana z tablicą okresową Mendelejewa, która jest najskuteczniejszym systemem klasyfikacji i organizacji, jaki znamy do tej pory. W niej pierwiastki są uporządkowane według ich właściwości okresowe Wśród nich wyróżnia się elektroujemność, która jest miarą zdolności elektronów na swojej ostatniej powłoce do łączenia się z innymi atomami, ale o tym powiemy więcej później.

Co to jest elektroujemność?

Zanim zagłębimy się w temat, ważne jest wyjaśnienie, że cały materiał składa się z atomyAtom jest elementarną i niepodzielną jednostką materii w klasycznych modelach. Składa się z centralnego jądra, wokół którego rozmieszczone są protony i neutrony, a także elektronów na różnych poziomach energetycznych lub powłokach. elektrony obecne na najbardziej zewnętrznej powłoce elementu, zwanego elektrony walencyjne, które określają zdolność każdego materiału do tworzenia związków.

Oto co definiuje elektroujemność: tendencja atomu do przyciągania elektronów do siebie że dzieli on z innym atomem, gdy tworzy wiązanie chemiczne. Innymi słowy, elektroujemność mierzy zdolność atomu do łączenia się poprzez wiązania z innymi atomami i siłę przyciągania wspólnych elektronów.

Z praktycznego punktu widzenia elektroujemność:

• Pozwala przewidzieć rodzaj wiązania (jonowe, kowalencyjne polarne lub kowalencyjne niepolarne), które utworzą się między dwoma atomami.
• Pomaga zrozumieć polarność cząsteczek i w jaki sposób częściowy ładunek elektryczny jest między nimi rozłożony.
• Wpływa na reaktywność chemiczna pierwiastków i związków, warunkując łatwość, z jaką zyskują lub tracą elektrony w reakcjach.

Proces ten jest przede wszystkim definiowany przez działanie dwóch wielkości związanych ze strukturą atomową:

• Masa atomowa: Jest to całkowita masa protonów i neutronów w pojedynczym atomie. Wyższa masa atomowa jest zwykle związana z większy promień atomowy, co wpływa na siłę, z jaką jądro przyciąga elektrony walencyjne.
• Elektrony walencyjne: Są to cząstki o ładunku ujemnym znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce atomu, które stanowią liczbę cząstek dostępnych do wymiany w procesie tworzenia związków. Im bliżej ta powłoka znajduje się od jądra i im bardziej naładowane jest jądro, Im większa elektroujemność.

Oprócz tych czynników, rolę odgrywają również: efektywny ładunek jądrowy (rzeczywiste przyciąganie odczuwane przez elektron walencyjny do jądra, biorąc pod uwagę ekranowanie elektronów wewnętrznych) i radio atomoweMniejszy promień i większy efektywny ładunek jądrowy zwykle oznaczają wyższą elektroujemność.

Opracowanie tabeli elektroujemności

W poszukiwaniu odpowiedniej klasyfikacji pierwiastków wielu naukowców opracowało koncepcje dotyczące tego, jaki mógłby być odpowiedni system, dzięki któremu można by uzyskać dostęp do pierwiastków w sposób uporządkowany, biorąc pod uwagę ich właściwości chemiczne i fizyczneTa droga, z jej sukcesami i porażkami, doprowadziła do stopniowej budowy układu okresowego, a później do ilościowe oznaczanie elektroujemności używając różnych skal.

Następujący naukowcy wnieśli ważny wkład, który przyczynił się do opracowania aktualnej tabeli elektroujemności:

• Antoine'a Lavoisiera: Klasyfikacja pierwiastków przeprowadzona przez tego naukowca została przeprowadzona w stosunkowo arbitralnyBez uwzględnienia dobrze zdefiniowanego kryterium okresowości, jego klasyfikacja nie była zbyt skuteczna w przewidywaniu właściwości. Stanowiła jednak punkt wyjścia do różnicowania substancje proste i złożone.
• Johanna Dobereinera: Ten naukowiec znany jest z opracowania Triady DobereineraOpracował badanie, w którym grupował pierwiastki w grupy po trzy, stwierdzając na podstawie porównań, że ich względne masy atomowe (które są określane za pomocą spektrometru mas) i pewne wartości ich właściwości fizycznych były ze sobą powiązane. Dlatego można je było przewidzieć za pomocą przybliżeń matematycznych. Brytyjski chemik Johna Newlandsa Pracował na podstawie opracowanej przez Dobereinera i w ten sposób udało mu się uporządkować pierwiastki w tabeli z grupami pierwiastków o wzrastającej względnej masie atomowej; na podstawie tego grupowania Brytyjczyk chciał opracować tabelę, w której wzór okresowych powtórzeń właściwości fizycznych pierwiastków. Ponieważ takie powtórzenia grupowano wokół 8 pierwiastków, oznaczano je nazwą „Prawo oktaw”.
• Lothar Mayer: Znany jest z poszerzania wiedzy w dziedzinie studiów związek między właściwościami fizycznymi i atomowymi składników. Przedstawił graficznie zależność objętości atomowej od masy atomowej i zaobserwował okresowość właściwości. Jego praca uzupełniała, choć była niezależna, prace Mendelejewa.
• Dmitri Mendeleev: Na podstawie postulatów prawo okresoweTen naukowiec opracował najdokładniejszą klasyfikację pierwiastków, która jest nadal używana (z modyfikacjami uwzględniającymi nowo odkryte pierwiastki). Klasyfikował pierwiastki przede wszystkim na podstawie ich właściwości. masy atomowe i właściwości chemiczneMiał on na tyle dalekowzroczności, że pozostawił pola, w których żaden element nie pasował, przewidując, że znajdzie się tam nieodkryty element. Znane elementy, które nie spełniały parametrów porządkowych, zostały odnotowane osobno. zamiast być włączanym arbitralnie (błąd Lavoisiera i Newlandsa). Później, wraz z rozwojem teorii kwantowej i koncepcji powinowactwa elektronowego i energii jonizacji, możliwe stało się powiązanie pozycji w tabeli z elektroujemność.

Jeśli chodzi o elektroujemność w tabeli, ogólna zasada jest następująca:

• Elektroujemność to wartość, która Zwiększa się podczas przesuwania się z lewej do prawej w tym samym okresie, na skutek wzrostu efektywnego obciążenia jądrowego.
• elektroujemność maleje w miarę schodzenia w obrębie tej samej grupyponieważ promień atomowy wzrasta, a elektrony walencyjne znajdują się dalej od jądra.
• Elementy znajdujące się w prawy górny róg tabeli (z wyłączeniem gazów szlachetnych) wykazują najwyższe wartości elektroujemności, przy czym fluor jest pierwiastkiem najbardziej elektroujemnym.

Elektroujemność w układzie okresowym

Elektroujemność pierwiastka zależy od kilku czynników, takich jak: Liczba atomowa, Z rozmiar atomu lub promień i ładunek jądrowyOgólnie rzecz biorąc, pierwiastki silnie elektroujemne, takie jak niemetale znajdujące się po prawej stronie układu okresowego, mają tendencję do zdobyć elektrony łatwo, tworząc aniony. Natomiast pierwiastki o niskiej elektroujemności, takie jak większość metali, mają tendencję do oddać elektrony i tworzą kationy.

Różnice w elektroujemności mają istotny wpływ na właściwości chemiczne i fizyczne związkówKilka ważnych przykładów:

• Gdy różnica elektroujemności między dwoma atomami jest duża, istnieje tendencja do tworzenia wiązania jonowe, charakteryzujący się niemal całkowitym przeniesieniem elektronów z jednego atomu do drugiego.
• Gdy różnica jest umiarkowana lub mała, tworzą się wiązania kowalencyjneW którym atomy dzielą się elektronami; jeżeli różnica ta jest różna od zera, wiązanie będzie kowalencyjne spolaryzowane i rozkład ładunku będzie nierównomierny.

W układzie okresowym można zaobserwować następujące zjawiska: ogólne trendy elektroujemności:

1. L bez metali Pierwiastki zazwyczaj mają wyższą elektroujemność niż metale. Na przykład fluor (F) ma najwyższą elektroujemność, podczas gdy pierwiastki takie jak cez (Cs) czy frans (Fr) mają bardzo niskie wartości.
2. elektroujemność wzrasta w okresie (od lewej do prawej) na skutek wzrostu ładunku jądrowego, który silniej przyciąga elektrony wiążące.
3. elektroujemność maleje w miarę schodzenia w dół grupy (od góry do dołu), ponieważ promień atomowy wzrasta, a elektrony walencyjne znajdują się dalej od jądra, co osłabia przyciąganie.
4. L gazy szlachetne Wykazują one na ogół bardzo niską lub praktycznie zerową elektroujemność w skali Paulinga, ponieważ mają pełną powłokę walencyjną i nie mają tendencji do przyjmowania ani tracenia elektronów.

Dla porównania, przybliżone wartości elektroujemności w skali Paulinga wynoszą:

• Fluor (F): 3,98
• Tlen (O): 3,44
• Azot (N): 3,04
• Chlor (Cl): 3,16
• Węgiel (C): 2,55
• Wodór (H): 2,20
• Sód (Na): 0,93
• Wapń (Ca): 1,00
• Francio (Fr): 0,70

Wartości te pomagają szybko zrozumieć, które elementy mają tendencję przyciągają więcej elektronów (takie jak fluor lub tlen), a które łatwo je oddają (takie jak sód lub frans).

Skale elektroujemności

Różne wartości elektroujemności determinują rodzaj tworzonego wiązania, dlatego też badanie tego procesu było interesujące i rozwinięto badania różne skale ilościowe. Do najbardziej znanych należą skala Paulinga i skala Mullikena.

Skala Paulinga: Według badań Linusa Paulinga ustalono, że elektroujemność jest względna własność i zmiennaponieważ zależy to częściowo od stopnia utlenienia pierwiastka i środowiska chemicznego. Jego obserwacje pozwoliły ustalić, że jeśli różnica między elektroujemnościami Na podstawie dwóch atomów można było przewidzieć rodzaj wiązania, jakie powstanie, ponieważ wprowadził skalę liczbową opartą na energiach wiązań.

W skali Paulinga fluor jest uważany za pierwiastek najbardziej elektroujemny, o wartości bliskiej 3,98, i na jego podstawie oblicza się wartości pozostałych pierwiastków. Za pomocą tej skali można ustalić ogólne kryteria:

• Wiązanie jonowe: różnica elektroujemności większe lub równe 1,7Wiązanie to występuje zwykle między pierwiastkami metalicznymi (o niskiej elektroujemności) i pierwiastkami niemetalicznymi (o wysokiej elektroujemności).
• wiązanie kowalencyjne spolaryzowane: gdy różnica mieści się w przedziale około 0,4 do 1,7W tym przypadku elektrony są współdzielone, ale przesuwają się bardziej w kierunku atomu bardziej elektroujemnego, generując dipole elektryczne częściowe.
• Wiązanie kowalencyjne niepolarne: dla różnic równa lub mniejsza niż 0,4Elektrony są dzielone niemal równo, bez generowania znaczących ładunków cząstkowych.

Zakresy te są przybliżone, ale są bardzo przydatne przewidzieć zachowanie łącza i polarność cząsteczek.

Skala Mullikena: Opiera się na powinowactwo elektronowe pierwiastków, która określa ich tendencję do gromadzenia ładunku ujemnego, a tym samym ich zdolność do przyjmowania elektronów, a w potencjały jonizacjiktóre określają predyspozycję pierwiastka do przyjmowania ładunku dodatniego (pierwiastki naładowane dodatnio to te, które oddają elektrony ze swojej ostatniej powłoki). W skali Mullikena elektroujemność oblicza się jako średnia energia jonizacji i powinowactwo elektronowe pierwiastka. Skala ta opiera się na wartościach średnich wyrażonych w jednostkach energii i może być później przeliczona na skalę porównywalną ze skalą Paulinga.

Chociaż istnieją inne skale (np. skala Allreda-Rochowa, oparta na sile elektrostatycznej oddziałującej na elektrony walencyjne), skala Paulinga pozostaje najbardziej powszechnie akceptowaną. najczęściej używany w nauczaniu i tablicach okresowych za prostotę i łatwość interpretacji trendów.

Praktyczne przykłady elektroujemności i jej znaczenie

Aby lepiej zrozumieć przydatność elektroujemności, warto przyjrzeć się pewnym konkretne przykłady pierwiastków i w jaki sposób wartość ta warunkuje jego właściwości:

• Wodór (H): Jego elektroujemność wynosi około 2,2 w skali Paulinga. Jest to najlżejszy pierwiastek układu okresowego i mogą zachowywać się podobnie do metali alkalicznych (oddając swój pojedynczy elektron) lub do halogenów (udostępniając lub zyskując elektron), w zależności od kontekstu wiązania.
• Węgiel (C): o elektroujemności około 2,55, tworzy liczne wiązania kowalencyjne i jest podstawą chemia organicznaJego wartość pośrednia pozwala mu na stosunkowo zrównoważone dzielenie się elektronami z wieloma pierwiastkami, co prowadzi do powstawania bardzo zróżnicowanych struktur.
• Azot (N): Posiada elektroujemność około 3,04 i należy do grupy bez metaliMa tendencję do pozyskiwania elektronów lub do ich intensywnego oddawania, co wyjaśnia dużą stabilność cząsteczek, takich jak azot cząsteczkowy (N₂).₂).
• Tlen (O): Z elektroujemnością 3,44 silnie przyciąga wspólne elektrony. To wyjaśnia polarność wody (H₂O), gdzie tlen uzyskuje częściowy ładunek ujemny, a wodory częściowy ładunek dodatni.
• Gazy szlachetne (np. neon, Ne): przez posiadanie pełne powłoki walencyjneWykazują one wyjątkowo niską elektroujemność w skali Paulinga, do tego stopnia, że ​​w wielu przypadkach uważa się ją za praktycznie zerową, ponieważ prawie nie tworzą wiązań chemicznych.

Zrozumienie elektroujemności i trendów w układzie okresowym pozwala studentom i profesjonalistom zajmującym się chemią na wizualizację układu jako prawdziwego „książka kucharska”Znając położenie danego pierwiastka, można wywnioskować, jak będzie się zachowywał w stosunku do innych pierwiastków, jaki rodzaj wiązania utworzy i jaki będzie rozkład ładunków w powstałych cząsteczkach.

W ten sposób elektroujemność staje się niezbędnym narzędziem do zrozumieć strukturę molekularną, reaktywność i naturę wiązań które powstają pomiędzy atomami, zarówno w układach nieorganicznych, jak i organicznych oraz biochemicznych.

Zrozumienie, czym jest elektroujemność, jak zmienia się w układzie okresowym i jak odnosi się do różnych skal proponowanych przez współczesną chemię, pozwala na lepszą interpretację codzienne reakcje chemiczneod powstawania soli i tlenków po zachowanie się wody, kwasów, zasad i cząsteczek organicznych obecnych w organizmach żywych i materiałach technologicznych.