Калкулатор за йонен характер - Формула на Полинг | Полярност на връзката

Какво представлява йонният характер?

Йонният характер е мярка за това колко неравномерно два атома споделят електрони в химична връзка. Той се изразява като процент от 0% (електроните се споделят равномерно, връзката е чисто ковалентна) до малко под 100% (единият атом почти изцяло е взел електрон от другия, което е близо до чисто йонна връзка). Повечето реални връзки попадат някъде между тези две крайности. Калкулаторът за йонен характер изчислява този процент от електроотрицателността на двата свързани атома чрез формула, публикувана от химика Лайнъс Полинг.

Електроотрицателността е число, което показва колко силно атомът привлича споделените електрони към себе си. В широко използваната скала на Полинг стойностите варират приблизително от 0,7 (цезий и франций, слабо привличане) до 4,0 (флуор, най-силно привличане). Когато два свързани атома имат много различни стойности на електроотрицателност, единият атом привлича споделените електрони много по-силно от другия и връзката има висок йонен характер.

Как се изчислява йонният характер (формулата на Полинг)

Калкулаторът използва следната формула:

$\text{Йонен характер (\%)} = \left(1 - e^{-0.25(\Delta\chi)^2}\right) \times 100$

Тук Δχ (делта хи) е абсолютната разлика между стойностите на електроотрицателността на двата атома, а e е числото на Ойлер, приблизително 2,71828.

За да използвате формулата:

1. Намерете електроотрицателността по Полинг на всеки атом. Повечето периодични таблици и учебници по химия посочват тези стойности.
2. Извадете по-малката стойност от по-голямата, за да получите Δχ. Редът на атомите няма значение, тъй като се използва само разликата.
3. Повдигнете Δχ на квадрат, умножете по −0,25 и повдигнете e на получената степен.
4. Извадете резултата от 1 и умножете по 100, за да получите процента.

Зависимостта не е линейна. Δχ от 0,5 дава приблизително 6% йонен характер, но Δχ от 1,0 дава приблизително 22%, а не 12%. Малките увеличения на разликата в електроотрицателността водят до все по-големи скокове в йонния характер, докато кривата се изравни и се доближи, но никога не достигне 100%.

Пример с изчисление: въглерод-кислородната връзка

Връзката C–O, която се среща в алкохоли и много други органични молекули, е типичен пример.

• Електроотрицателност на въглерода: 2,5
• Електроотрицателност на кислорода: 3,5
• Разлика: Δχ = |3,5 − 2,5| = 1,0
• Йонен характер: (1 − e^(−0,25 × 1,0²)) × 100 ≈ 22,1%
• Класификация: полярна ковалентна

Пример с изчисление: натриево-хлорната връзка

• Електроотрицателност на натрия: 0,9
• Електроотрицателност на хлора: 3,0
• Разлика: Δχ = |3,0 − 0,9| = 2,1
• Йонен характер: (1 − e^(−0,25 × 2,1²)) × 100 ≈ 66,8%
• Класификация: йонна

Дори връзката Na–Cl в готварската сол, учебникарски пример за йонна връзка, има около 67% йонен характер, а не 100%. Формулата на Полинг разглежда всяка връзка като отчасти ковалентна и отчасти йонна, като никоя обикновена връзка не достига пълните 100%.

Класификация на връзките

Калкулаторът разпределя резултата в три категории:

Тези граници са условни, а не рязка физична граница. Връзка с 49% йонен характер се държи само малко по-различно от връзка с 51%.

Други примери

Защо йонният характер е важен

Връзките с по-висок йонен характер обикновено се срещат в съединения, които се разтварят във вода, образуват твърди кристални вещества и провеждат електричество, когато са стопени или разтворени. Връзките с нисък йонен характер обикновено се срещат в съединения, които вместо това се смесват с масла и други неполярни вещества. На това се основава правилото „подобното разтваря подобно“: водата, изградена от полярни O–H връзки, разтваря други полярни или йонни вещества много по-добре, отколкото неполярни вещества като растителното масло.

История на формулата

Лайнъс Полинг публикува първата числова скала за електроотрицателност през 1932 г. в Journal of the American Chemical Society. Той изгражда скалата чрез сравнение на измерени енергии на връзките. Експоненциалната формула по-горе се появява по-късно в книгата му The Nature of the Chemical Bond, отпечатана за първи път през 1939 г. и преработена през 1960 г. За изследванията си върху химичната връзка Полинг получава 1954 Нобелова награда за химия.

Оттогава други учени са предложили различни скали за електроотрицателност, включително скалата на Робърт Мъликен (1934 г.), основана на йонизационната енергия и електронното сродство. Скалата на Полинг остава най-широко преподаваната и използвана и днес.

Ограничения на формулата на Полинг

Формулата на Полинг е приближение. Тя работи добре за прости и често срещани връзки, но има известни ограничения.

• Тя използва само електроотрицателността, затова пренебрегва ефекти като резонанса (електроните са разпределени между няколко атома, както в бензена) и структурата на заобикалящата молекула.
• В различните учебници са посочени малко различаващи се стойности на електроотрицателността за един и същ елемент, което променя резултата.
• Резултат над 50% невинаги съответства на начина, по който химиците класифицират реалното вещество. Прилагането на формулата към водорода и флуора (2,1 и 4,0) дава Δχ = 1,9 и йонен характер около 59%, тоест над границата за йонна връзка. Въпреки това флуороводородът обикновено се описва като полярна ковалентна молекула, а не като йонно съединение, защото съществува като отделни молекули, а не като решетка от йони, подобна на натриевия хлорид. Процентът е полезна оценка, а не строго правило.

За по-прецизни стойности химиците използват изчислителни методи като теорията на функционала на плътността или експериментални техники като рентгенова кристалография и инфрачервена спектроскопия, които измерват директно разпределението на електроните.

Често задавани въпроси

Какво представлява йонният характер?

Йонният характер е оцененият процент от характера на химичната връзка, който се дължи на привличането на електрон от единия атом към другия, вместо на равномерното му споделяне между двата атома. Той варира от стойност, близка до 0% при еднакви атоми, до малко под 100% при атоми с много различна електроотрицателност.

Каква е формулата на Полинг за йонния характер?

Йонен характер (%) = (1 − e^(−0,25 × Δχ²)) × 100, където Δχ е абсолютната разлика между стойностите на електроотрицателността по Полинг на двата свързани атома.

Защо няма връзка с 100% йонен характер?

Формулата се доближава до 100% с нарастването на Δχ, но никога не го достига, защото разглежда прехвърлянето на електрон като вероятност, а не като събитие, което се случва изцяло или изобщо не се случва. Дори силно йонните връзки, като връзката Cs–F в цезиевия флуорид (разлика в електроотрицателността около 3,2), дават приблизително 92%, а не 100%, тъй като все пак се осъществява известно споделяне на електрони.

Колко точна е формулата на Полинг?

За често срещаните връзки тя като цяло съответства на резултатите от по-напреднали методи, като изчислителната химия и рентгеновата кристалография. Тя не отчита резонанса или влиянието на цялостната структура на молекулата, затова е най-подходяща като обща оценка, а не като точно измерване.

Йонният характер същото ли е като полярността на връзката?

Те са свързани, но не са идентични. Полярността на връзката описва разделянето на зарядите във връзката и често се измерва чрез диполния момент. Йонният характер е процентна оценка, изведена само от електроотрицателността, на съотношението между прехвърлянето и споделянето на електрони. Връзка с по-висок йонен характер обикновено има по-голям диполен момент.

Откъде идват стойностите на електроотрицателността?

Те идват от скалата за електроотрицателност на Полинг, която се среща в повечето учебници по обща химия и периодични таблици. Стойностите по тази скала обикновено варират приблизително от 0,7 за цезий и франций до 4,0 за флуор.