Ionisk Karakter Beregner - Paulings Formel | Binding Polaritet

Hvad er ionkarakter?

Ionkarakter er et mål for, hvor ujævnt to atomer deler elektroner i en kemisk binding. Den angives som en procentdel fra 0 % (elektronerne deles ligeligt, en rent kovalent binding) til lige under 100 % (det ene atom har næsten helt taget en elektron fra det andet, tæt på en rent ionisk binding). De fleste virkelige bindinger ligger et sted mellem disse to yderpunkter. Ionkarakterberegneren estimerer denne procentdel ud fra elektronegativiteten af de to bundne atomer ved hjælp af en formel, der blev offentliggjort af kemikeren Linus Pauling.

Elektronegativitet er et tal, der rangordner, hvor kraftigt et atom trækker delte elektroner hen mod sig selv. På den almindelige Pauling-skala går værdierne fra omkring 0,7 (cæsium og francium, svage tiltrækkere) til 4,0 (fluor, den stærkeste tiltrækker). Når to bundne atomer har meget forskellige elektronegativitetsværdier, trækker det ene atom de delte elektroner meget hårdere end det andet, og bindingen har høj ionkarakter.

Sådan beregnes ionkarakter (Pauling-formlen)

Beregneren bruger denne formel:

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

Her er Δχ (delta chi) den absolutte forskel mellem de to atomers elektronegativitetsværdier, og e er Eulers tal, cirka 2,71828.

Sådan bruges formlen:

1. Find Pauling-elektronegativiteten for hvert atom. De fleste periodiske systemer og kemilærebøger angiver disse værdier.
2. Træk den mindste værdi fra den største for at finde Δχ. Atomernes rækkefølge er ligegyldig, eftersom det kun er forskellen, der bruges.
3. Kvadrér Δχ, gang med −0,25, og opløft e i denne potens.
4. Træk resultatet fra 1, og gang med 100 for at få procentdelen.

Sammenhængen er ikke en ret linje. En Δχ på 0,5 giver omkring 6 % ionkarakter, men en Δχ på 1,0 giver omkring 22 %, ikke 12 %. Små stigninger i forskellen i elektronegativitet giver stadig større spring i ionkarakteren, indtil kurven flader ud og nærmer sig, men aldrig når, 100 %.

carbon-oxygen-bindingen

C–O-bindingen, som findes i alkoholer og mange andre organiske molekyler, er et typisk eksempel.

• Carbonets elektronegativitet: 2,5
• Oxygens elektronegativitet: 3,5
• Forskel: Δχ = |3,5 − 2,5| = 1,0
• Ionkarakter: (1 − e^(−0,25 × 1,0²)) × 100 ≈ 22,1 %
• Klassifikation: polær kovalent

natrium-chlor-bindingen

• Natriums elektronegativitet: 0,9
• Chlorens elektronegativitet: 3,0
• Forskel: Δχ = |3,0 − 0,9| = 2,1
• Ionkarakter: (1 − e^(−0,25 × 2,1²)) × 100 ≈ 66,8 %
• Klassifikation: ionisk

Selv bindingen mellem natrium og chlor i køkkensalt, et lærebogseksempel på en ionisk binding, giver omkring 67 % ionkarakter i stedet for 100 %. Pauling-formlen betragter enhver binding som delvist kovalent og delvist ionisk, og ingen almindelig binding når fulde 100 %.

Klassifikation af bindinger

Beregneren inddeler resultatet i tre kategorier:

Disse grænser er en konvention, ikke en skarp fysisk grænse. En binding med 49 % ionkarakter opfører sig kun lidt anderledes end en med 51 %.

Flere eksempler

Hvorfor ionkarakter er vigtig

Bindinger med højere ionkarakter hører typisk til forbindelser, der opløses i vand, danner hårde krystallinske faste stoffer og leder elektricitet, når de er smeltede eller opløst. Bindinger med lav ionkarakter hører i stedet typisk til forbindelser, der blandes med olier og andre upolære stoffer. Dette er grundlaget for reglen »lige opløser lige«: Vand, der er opbygget af polære O–H-bindinger, opløser andre polære eller ioniske stoffer langt bedre end upolære stoffer som vegetabilsk olie.

Formlens historie

Linus Pauling introducerede sin elektronegativitetsskala i 1932 i en artikel med titlen "The Nature of the Chemical Bond. IV", udgivet i Journal of the American Chemical Society. Han byggede den første numeriske elektronegativitetsskala ved at sammenligne målte bindingsenergier og brugte den derefter til at anslå, hvor stor en del af en bindings karakter der skyldtes elektronoverførsel frem for elektrondeling. Den formel, som denne beregner bruger, voksede ud af dette arbejde. Hans forskning i den kemiske binding indbragte ham Nobelprisen i kemi i 1954.

Andre forskere har siden foreslået andre elektronegativitetsskalaer, blandt andet Robert Mullikens skala, der bygger på ioniseringsenergi og elektronaffinitet. Paulings skala er stadig den, der undervises i og bruges mest i dag.

Begrænsninger ved Pauling-formlen

Pauling-formlen er en tilnærmelse. Den fungerer godt for simple, almindelige bindinger, men har kendte begrænsninger.

• Den bruger kun elektronegativitet og ser derfor bort fra effekter som resonans (elektroner fordelt over flere atomer, som i benzen) og den omgivende molekylstruktur.
• Forskellige lærebøger angiver lidt forskellige elektronegativitetsværdier for det samme grundstof, hvilket ændrer resultatet.
• Et resultat over 50 % stemmer ikke altid overens med, hvordan kemikere klassificerer et virkeligt stof. Hvis formlen anvendes på hydrogen og fluor (2,1 og 4,0), fås Δχ = 1,9 og en ionkarakter på omkring 59 %, altså over grænsen for ioniske bindinger. Hydrogenfluorid beskrives dog normalt som et polært kovalent molekyle, ikke som en ionforbindelse, fordi det findes som separate molekyler og ikke som et iongitter som natriumchlorid. Procentdelen er et nyttigt estimat, ikke en streng regel.

For mere præcise værdier anvender kemikere beregningsmetoder som tæthedsfunktionalteori eller eksperimentelle teknikker som røntgenkrystallografi og infrarød spektroskopi, der måler elektronfordelingen direkte.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er ionkarakter?

Ionkarakter er den estimerede procentdel af en kemisk bindings karakter, der skyldes, at det ene atom trækker en elektron væk fra det andet, i stedet for at de to atomer deler den ligeligt. Den går fra nær 0 % for identiske atomer til lige under 100 % for atomer med meget forskellig elektronegativitet.

Hvad er Pauling-formlen for ionkarakter?

Ionkarakter (%) = (1 − e^(−0,25 × Δχ²)) × 100, hvor Δχ er den absolutte forskel mellem Pauling-elektronegativitetsværdierne for de to bundne atomer.

Hvorfor er ingen binding 100 % ionisk?

Formlen nærmer sig 100 %, når Δχ vokser, men når det aldrig, fordi den behandler elektronoverførsel som en sandsynlighed snarere end som en enten-eller-hændelse. Selv stærkt ioniske bindinger, som Cs–F-bindingen i cesiumfluorid (en forskel i elektronegativitet på omkring 3,2), giver cirka 92 % i stedet for 100 %, eftersom der stadig forekommer en vis elektrondeling.

Hvor nøjagtig er Pauling-formlen?

For almindelige bindinger stemmer den i store træk overens med resultater fra mere avancerede metoder som beregningskemi og røntgenkrystallografi. Den tager ikke højde for resonans eller virkningerne af et molekyles fulde struktur og fungerer derfor bedst som et generelt estimat snarere end en nøjagtig måling.

Er ionkarakter det samme som bindingspolaritet?

De hænger sammen, men er ikke identiske. Bindingspolaritet beskriver ladningsadskillelsen i en binding, ofte målt som et dipolmoment. Ionkarakter er et procentestimat, der udelukkende er afledt af elektronegativitet, af hvor meget elektronoverførsel i forhold til elektrondeling der forekommer. En binding med højere ionkarakter har normalt et større dipolmoment.

Hvor kommer elektronegativitetsværdier fra?

De kommer fra Pauling-skalaen for elektronegativitet, som findes i de fleste lærebøger i almen kemi og periodiske systemer. Værdierne på denne skala går generelt fra omkring 0,7 for cesium og francium til 4,0 for fluor.

Referencer

1. LibreTexts Chemistry. 8.4: Bond Polarity and Electronegativity (Brown et al., Chemistry: The Central Science). Bond Polarity and Electronegativity — Paulings skala bygger på bindingsstyrker og sætter fluor til 4,0.
2. Oregon State University Special Collections. Linus Pauling and The Nature of the Chemical Bond: The Fourth Paper. The Fourth Paper — artiklen fra 1932 byggede elektronegativitetsskalaen ud fra bindingsenergier og anslog ionkarakter.
3. Oregon State University Special Collections. "The nature of the chemical bond. IV." manuscript record. Manuskriptoptegnelse fra 1932 — udgivet i J. Am. Chem. Soc. 54 (september 1932): 3570-3582.
4. The Nobel Prize. The Nobel Prize in Chemistry 1954. Nobelprisen i kemi 1954 — tildelt Linus Pauling for hans forskning i den kemiske bindings natur.
5. LibreTexts Chemistry. Electronegativity (Physical and Theoretical Chemistry supplemental modules). Electronegativity — cæsium og francium er de mindst elektronegative grundstoffer med 0,7.