De tabel van elektronegativiteit uitgelegd: concept, geschiedenis en belangrijkste schalen

Een van de grootste wetenschappelijke prestaties was de classificatie en ordening van chemische elementenDe studie van de eigenschappen van materie gaat terug tot de tijd van de alchemisten; wetenschappers op dit gebied hielden altijd rekening met het belang van het opzetten van een classificatiesysteem dat een ordelijke behandeling mogelijk maakte van de elementen die in elk tijdperk bekend waren.

Van daaruit, na vele pogingen, de welbekende elektronegativiteitstabelHet is nauw verwant aan het periodiek systeem van Mendelejev, het meest efficiënte classificatie- en ordeningssysteem dat we tot nu toe hebben. Daarin zijn de elementen gerangschikt op basis van hun periodieke eigenschappen Onder deze eigenschappen springt de elektronegativiteit eruit. Dit is een maat voor het vermogen van de elektronen in de buitenste schil om zich te binden aan andere atomen, maar daar zullen we later nog uitgebreider op ingaan.

Wat is elektronegativiteit?

Voordat we dieper op het onderwerp ingaan, is het belangrijk om te verduidelijken dat al het materiaal is opgebouwd uit atomenHet atoom is de elementaire en ondeelbare eenheid van materie in klassieke modellen en bestaat uit een centrale kern waaromheen protonen en neutronen zijn verdeeld, en elektronen in verschillende energieniveaus of schillen. elektronen die aanwezig zijn in de buitenste schil van het element, genaamd valentie-elektronen, die bepalen het vermogen van elk materiaal om verbindingen te vormen.

Dit is wat elektronegativiteit definieert: de neiging van een atoom om elektronen naar zich toe te trekken De elektronegativiteit meet het vermogen van een atoom om via bindingen elektronen aan te trekken van andere atomen en hoe sterk het deze gedeelde elektronen aantrekt.

Vanuit praktisch oogpunt is elektronegativiteit:

Het maakt het mogelijk voorspel het type binding (ionische, polaire covalente of niet-polaire covalente) binding die tussen twee atomen ontstaat.
Het helpt om de te begrijpen polariteit van moleculen en hoe de gedeeltelijke elektrische lading zich onder hen verdeelt.
Het beïnvloedt de chemische reactiviteit van de elementen en verbindingen, waardoor wordt bepaald hoe gemakkelijk ze elektronen opnemen of afstaan tijdens reacties.

Dit proces wordt voornamelijk bepaald door de werking van twee grootheden die verband houden met de atoomstructuur:

Atoom massa: Het is de totale massa van protonen en neutronen in één atoom. Een hogere atoommassa wordt meestal geassocieerd met een grotere atoomstraal, wat van invloed is op de sterkte waarmee de kern de valentie-elektronen aantrekt.
Valentie-elektronen: Dit zijn de negatief geladen deeltjes in de buitenste schil van het atoom, die het aantal deeltjes vormen dat beschikbaar is voor uitwisseling bij de vorming van verbindingen. Hoe dichter deze schil zich bij de kern bevindt en hoe sterker de lading van de kern, Hoe groter de elektronegativiteit.

Naast deze factoren spelen ook de volgende een rol: effectieve kernlading (de werkelijke aantrekkingskracht die een valentie-elektron voelt voor de kern, rekening houdend met de afscherming van de binnenste elektronen) en de atomaire radioEen kleinere straal en een grotere effectieve kernlading impliceren doorgaans een hogere elektronegativiteit.

Ontwikkeling van de elektronegativiteitstabel

In hun zoektocht naar een geschikte classificatie van de elementen ontwikkelden veel wetenschappers ideeën over hoe een geschikt systeem eruit zou kunnen zien, waarmee de elementen op een ordelijke manier toegankelijk zouden zijn, rekening houdend met hun eigenschappen. chemische en fysische eigenschappenDit traject, met zijn successen en mislukkingen, leidde tot de geleidelijke opbouw van het periodiek systeem en later tot de kwantificering van elektronegativiteit met behulp van verschillende schalen.

De volgende wetenschappers hebben belangrijke bijdragen geleverd die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de huidige tabel van elektronegativiteiten:

Antoine Lavoisier: De classificatie van de elementen die door deze wetenschapper werd uitgevoerd, gebeurde op een relatief willekeurigZonder een duidelijk gedefinieerd periodiciteitscriterium was de classificatie ervan niet erg succesvol in het voorspellen van eigenschappen. Het bood echter wel een uitgangspunt voor differentiatie. eenvoudige en samengestelde stoffen.
Johann Doberiner: Deze wetenschapper staat bekend om de ontwikkeling van de Dobereiner-triadenHij ontwikkelde een studie waarbij hij elementen in groepjes van drie indeelde en door vergelijkingen te maken ontdekte dat hun relatieve atoommassa's (die worden bepaald met behulp van een massaspectrometer) en bepaalde waarden van hun fysische eigenschappen waren met elkaar verbonden. Daarom konden ze met behulp van wiskundige benaderingen worden voorspeld. De Britse chemicus john nieuwlanders Hij werkte voort op de basis die door Dobereiner was ontwikkeld en slaagde er zo in de elementen in een tabel te ordenen met groeperingen van elementen met toenemende relatieve atoommassa's; met deze groepering probeerde de Brit een tabel te ontwikkelen waarin een patroon van periodieke herhalingen van de fysische eigenschappen van de elementen. Omdat dergelijke herhalingen rond 8 elementen gegroepeerd waren, werden ze aangeduid met de naam "Wet van octaven".
Lothar Meijer: Hij staat bekend om zijn bijdrage aan de uitbreiding van de kennis op het gebied van de studie van relatie tussen fysische en atomaire eigenschappen van de componenten. Hij bracht het atoomvolume grafisch in verband met de atoommassa en observeerde de periodiciteit van de eigenschappen. Zijn werk was complementair aan, maar onafhankelijk van, het werk van Mendelejev.
Dmitri Mendeleev: Gebaseerd op de postulaten van de periodiek rechtDeze wetenschapper ontwikkelde de meest nauwkeurige classificatie van elementen, die tot op de dag van vandaag nog steeds in gebruik is (met aanpassingen om nieuw ontdekte elementen te omvatten). Hij classificeerde de elementen voornamelijk op basis van hun eigenschappen. atoommassa's en chemische eigenschappenHij had de vooruitziende blik om vakjes open te laten waar geen element in paste, in de verwachting dat daar een nog niet ontdekt element zou passen. Bekende elementen die niet aan de ordeningsparameters voldeden, werden apart vermeld. in plaats van willekeurig te worden opgenomen (fout gemaakt door Lavoisier en Newlands). Later, met de vooruitgang van de kwantumtheorie en de concepten van elektronenaffiniteit en ionisatie-energieën, werd het mogelijk om de positie in het periodiek systeem te relateren aan de elektronegativiteit.

Wat betreft de elektronegativiteit binnen het periodiek systeem, geldt over het algemeen de volgende regel:

Elektronegativiteit is een waarde die Het neemt toe wanneer je van links naar rechts beweegt. in dezelfde periode, als gevolg van de toename van de effectieve kernbelasting.
elektronegativiteit neemt af bij het afdalen binnen dezelfde groepomdat de atoomstraal toeneemt en de valentie-elektronen zich verder van de kern bevinden.
De elementen die in de rechtsboven in de tabel (met uitzondering van edelgassen) vertonen de elementen met de hoogste elektronegativiteitswaarden, waarbij fluor het meest elektronegatieve element is.

Elektronegativiteit in het periodiek systeem

De elektronegativiteit van een element hangt af van verschillende factoren, zoals de samenstelling ervan. atoomnummer, Van atoomgrootte of straal en kernladingOver het algemeen hebben sterk elektronegatieve elementen, zoals de niet-metalen aan de rechterkant van het periodiek systeem, de neiging om elektronen opnemen gemakkelijk, waarbij anionen worden gevormd. Elementen met een lage elektronegativiteit, zoals de meeste metalen, hebben daarentegen de neiging om elektronen afstaan en vormen kationen.

Verschillen in elektronegativiteit hebben een significant effect op de chemische en fysische eigenschappen van verbindingenEen paar belangrijke voorbeelden:

Wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen groot is, bestaat er een neiging tot vorming ionische bindingen, gekenmerkt door de bijna volledige overdracht van elektronen van het ene atoom naar het andere.
Als het verschil gering of klein is, vormen ze zich verstrengelt covalentenHierbij delen de atomen elektronen; als het verschil niet nul is, is de binding polair covalent en is de ladingsverdeling ongelijk.

In het periodiek systeem kan het volgende worden waargenomen. algemene trends in elektronegativiteit:

De geen metalen Elementen hebben doorgaans een hogere elektronegativiteit dan metalen. Fluor (F) heeft bijvoorbeeld de hoogste elektronegativiteit, terwijl elementen zoals cesium (Cs) of francium (Fr) zeer lage waarden hebben.
elektronegativiteit neemt toe over een bepaalde periode (van links naar rechts), als gevolg van de toename van de kernlading die de bindende elektronen sterker aantrekt.
elektronegativiteit neemt af naarmate je in een groep naar beneden gaat. (van boven naar beneden), omdat de atoomstraal toeneemt en de valentie-elektronen verder van de kern verwijderd raken, waardoor de aantrekkingskracht verzwakt.
De Edele gassen Ze vertonen over het algemeen een zeer lage of praktisch nul elektronegativiteit op de Pauling-schaal, omdat ze een complete valentie-elektronenschil bezitten en geen neiging hebben om elektronen op te nemen of af te staan.

Ter referentie volgen hier enkele benaderende elektronegativiteitswaarden op de Pauling-schaal:

Fluor (F): 3,98
Zuurstof (O): 3,44
Stikstof (N): 3,04
Chloor (Cl): 3,16
Koolstof (C): 2,55
Waterstof (H): 2,20
Natrium (Na): 0,93
Calcium (Ca): 1,00
Francio (Fr): 0,70

Deze waarden helpen om snel te begrijpen welke elementen de neiging hebben om elektronen meer aantrekken (zoals fluor of zuurstof) en welke elementen ze gemakkelijk afgeven (zoals natrium of francium).

Elektronegativiteitsschalen

De verschillende elektronegativiteitswaarden bepalen het type binding dat wordt gevormd; daarom was de studie van dit proces interessant en werd er onderzoek naar gedaan. verschillende schalen kwantitatief. De bekendste hiervan zijn de Pauling-schaal en de Mulliken-schaal.

Pauling schaal: Volgens de studies van Linus Pauling werd vastgesteld dat elektronegativiteit een relatieve eigenschap en variabeleomdat het deels afhangt van de oxidatietoestand van het element en de chemische omgeving. Zijn waarnemingen maakten het mogelijk vast te stellen dat, als een verschil tussen elektronegativiteiten Aan de hand van twee atomen kon men het type binding voorspellen dat zou ontstaan, omdat hij een numerieke schaal had ontwikkeld op basis van bindingsenergieën.

Op de schaal van Pauling wordt fluor als het meest elektronegatieve element beschouwd, met een waarde van ongeveer 3,98, en de waarden van de andere elementen worden hieruit afgeleid. Met behulp van deze schaal kunnen algemene criteria worden vastgesteld:

Ionbinding: verschil in elektronegativiteit groter dan of gelijk aan 1,7Deze binding ontstaat meestal tussen metaalelementen (lage elektronegativiteit) en niet-metaalelementen (hoge elektronegativiteit).
Polaire covalente binding: wanneer het verschil binnen het interval ligt van ongeveer 0,4 tot 1,7In dit geval worden de elektronen gedeeld, maar ze verschuiven meer naar het meer elektronegatieve atoom, waardoor er elektronen ontstaan. elektrische dipolen gedeeltelijke.
Niet-polaire covalente binding: voor verschillen gelijk aan of kleiner dan 0,4Elektronen worden vrijwel gelijkmatig verdeeld, zonder dat er noemenswaardige partiële ladingen ontstaan.

Deze bereiken zijn bij benadering, maar ze zijn erg nuttig voor voorspellen linkgedrag en de polariteit van de moleculen.

Mulliken schaal: Het is gebaseerd op de Elektronische affiniteit van de elementen, wat hun neiging bepaalt om een negatieve lading te verkrijgen en dus hun vermogen om elektronen op te nemen, en in de ionisatiepotentialendie de neiging van een element bepalen om een positieve lading aan te nemen (positief geladen elementen zijn elementen die elektronen uit hun buitenste schil afstaan). Op de Mulliken-schaal wordt de elektronegativiteit berekend als de gemiddelde van ionisatie-energie en elektronenaffiniteit van een element. Deze schaal werkt met gemiddelde waarden uitgedrukt in energie-eenheden en kan later worden omgezet naar een schaal die vergelijkbaar is met die van Pauling.

Hoewel er andere schalen bestaan (zoals de Allred-Rochow-schaal, gebaseerd op de elektrostatische kracht op valentie-elektronen), blijft de schaal van Pauling de meest algemeen aanvaarde. meest gebruikt in het onderwijs en periodieke tabellen vanwege de eenvoud en het gemak waarmee trends kunnen worden geïnterpreteerd.

Praktische voorbeelden van elektronegativiteit en het belang ervan

Om het nut van elektronegativiteit beter te begrijpen, is het nuttig om naar een aantal voorbeelden te kijken. concrete voorbeelden van elementen en hoe deze waarde de eigenschappen ervan beïnvloedt:

Waterstof (H): Het heeft een elektronegativiteit van ongeveer 2,2 op de Pauling-schaal. Het is de lichtste element Het element staat in het periodiek systeem en kan zich, afhankelijk van de bindingscontext, gedragen als alkalimetalen (door zijn enige elektron af te staan) of als halogenen (door een elektron te delen of op te nemen).
Koolstof (C): Met een elektronegativiteit van ongeveer 2,55 vormt het talrijke covalente bindingen en is het de basis van de organische chemieDe tussenliggende waarde zorgt ervoor dat het elektronen op een relatief evenwichtige manier kan delen met veel elementen, waardoor zeer uiteenlopende structuren ontstaan.
Stikstof (N): Het heeft een elektronegativiteit van ongeveer 3,04 en behoort tot de groep van geen metalenHet heeft de neiging elektronen op te nemen of ze sterk te delen, wat de grote stabiliteit verklaart van moleculen zoals moleculair stikstof (N₂).₂).
Zuurstof (O): Met een elektronegativiteit van 3,44 trekt het gedeelde elektronen sterk aan. Dit verklaart de polariteit van water (H₂O), waarbij de zuurstof een gedeeltelijke negatieve lading krijgt en de waterstofatomen een gedeeltelijke positieve lading.
Edelgassen (bijvoorbeeld neon, Ne): door te bezitten volledige valentie-schillenZe vertonen een extreem lage elektronegativiteit op de Pauling-schaal, in veel gevallen praktisch nul, omdat ze nauwelijks chemische bindingen aangaan.

Inzicht in elektronegativiteit en trends in het periodiek systeem stelt scheikundestudenten en -professionals in staat om het systeem als een echt geheel te visualiseren. "receptenboek"Aan de hand van de positie van een element kan men afleiden hoe het zich ten opzichte van andere elementen zal gedragen, welk type binding het zal vormen en wat de ladingsverdeling binnen de resulterende moleculen zal zijn.

Op deze manier wordt elektronegativiteit een essentieel instrument voor om de moleculaire structuur, reactiviteit en aard van bindingen te begrijpen. die gevormd worden tussen atomen, zowel in anorganische als organische en biochemische systemen.

Inzicht in wat elektronegativiteit is, hoe deze varieert in het periodiek systeem en hoe deze zich verhoudt tot de verschillende schalen die door de moderne chemie worden voorgesteld, maakt een betere interpretatie van de alledaagse chemische reactiesVan de vorming van zouten en oxiden tot het gedrag van water, zuren, basen en organische moleculen die aanwezig zijn in levende organismen en technologische materialen.