Υπολογιστής Ηλεκτραρνητικότητας - Άμεσες Τιμές της Κλίμακας Pauling

Υπολογιστής ηλεκτραρνητικότητας

Ένας υπολογιστής ηλεκτραρνητικότητας αναζητά την τιμή ηλεκτραρνητικότητας ενός χημικού στοιχείου στην κλίμακα Pauling. Η ηλεκτραρνητικότητα είναι μέτρο του πόσο ισχυρά ένα άτομο έλκει προς το μέρος του τα κοινά ηλεκτρόνια όταν σχηματίζει δεσμό με άλλο άτομο. Το εργαλείο καλύπτει και τα 118 στοιχεία: πληκτρολογήστε όνομα ή σύμβολο και εμφανίζεται το σύμβολο, το όνομα και η τιμή στην κλίμακα Pauling σε μια απλή οπτική κλίμακα.

Τι είναι η ηλεκτραρνητικότητα;

Όταν δύο άτομα σχηματίζουν δεσμό, μοιράζονται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων. Η ηλεκτραρνητικότητα περιγράφει πόσο άνισα μοιράζεται αυτό το ζεύγος. Ένα άτομο με υψηλή ηλεκτραρνητικότητα έλκει τα κοινά ηλεκτρόνια πιο κοντά του. Ένα άτομο με χαμηλή ηλεκτραρνητικότητα τα συγκρατεί πιο χαλαρά.

Αυτή η άνιση κατανομή ονομάζεται πολικότητα δεσμού. Επηρεάζει διάφορα πράγματα:

• Ισχύς και μήκος δεσμού
• Μοριακή πολικότητα — αν μια ουσία διαλύεται στο νερό ή στο λάδι
• Δραστικότητα — ποιες αντιδράσεις είναι πιθανό να συμβούν
• Φυσικές ιδιότητες — σημείο βρασμού, σημείο τήξης, διαλυτότητα

Η κλίμακα Pauling

Η πιο διαδεδομένη κλίμακα ηλεκτραρνητικότητας δημιουργήθηκε από τον χημικό Linus Pauling το 1932. Εκτείνεται περίπου από 0,7 έως 4,0. Στα δεδομένα αυτού του εργαλείου, το φθόριο έχει την υψηλότερη τιμή, 3,98, και το φράγκιο τη χαμηλότερη, 0,70.

Ο Pauling υπολόγισε την κλίμακα από μετρημένες ενέργειες δεσμού και όχι από άμεση φυσική μέτρηση. Η αρχική εξίσωση είναι:

$\chi_A - \chi_B = 0.102\sqrt{E_{AB} - \frac{E_{AA} + E_{BB}}{2}}$

Εδώ, τα $\chi_A$ και $\chi_B$ είναι οι ηλεκτραρνητικότητες των ατόμων A και B, το $E_{AB}$ είναι η ενέργεια του δεσμού A–B (σε kJ/mol), ενώ τα $E_{AA}$ και $E_{BB}$ είναι οι ενέργειες των δεσμών A–A και B–B. Η ιδέα είναι η εξής: αν ο δεσμός A–B είναι ισχυρότερος από τον μέσο όρο των A–A και B–B, η επιπλέον ισχύς οφείλεται στην άνιση κατανομή των ηλεκτρονίων και το μέγεθός της δείχνει πόσο μεγάλη είναι η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας.

Αυτός ο υπολογιστής δεν εκτελεί εκείνη την εξίσωση. Αποθηκεύει έναν πίνακα με ήδη δημοσιευμένες τιμές Pauling και αναζητά μία τιμή σε κάθε αναζήτηση, όπως θα γινόταν σε έναν έντυπο πίνακα αναφοράς.

Πώς υπολογίζεται η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας και ο τύπος δεσμού

Για να εκτιμήσετε τι είδους δεσμός σχηματίζεται μεταξύ δύο στοιχείων, αναζητήστε την τιμή κάθε στοιχείου στον υπολογιστή και, στη συνέχεια, αφαιρέστε τον μικρότερο αριθμό από τον μεγαλύτερο. Το αποτέλεσμα ταξινομείται συνήθως σε τρία εύρη:

Αυτά τα όρια αποτελούν έναν ευρέως διδαγμένο πρακτικό κανόνα και όχι αυστηρό νόμο. Οι πραγματικοί δεσμοί βρίσκονται σε ένα συνεχές φάσμα και ορισμένοι δεσμοί κοντά σε ένα όριο παρουσιάζουν μικτό χαρακτήρα.

Παράδειγμα υπολογισμού. Για να ελέγξετε τον δεσμό H–Cl, αναζητήστε το «H» στον υπολογιστή και σημειώστε την τιμή του, 2,20. Στη συνέχεια αναζητήστε το «Cl» και σημειώστε την τιμή του, 3,16. Αφαιρέστε: 3,16 − 2,20 = 0,96. Επειδή το 0,96 βρίσκεται μεταξύ 0,4 και 1,7, ο δεσμός H–Cl είναι πολικός ομοιοπολικός.

Τάσεις της ηλεκτραρνητικότητας στον περιοδικό πίνακα

Δύο πρότυπα καλύπτουν το μεγαλύτερο μέρος του περιοδικού πίνακα:

• Κατά μήκος μιας περιόδου (από αριστερά προς τα δεξιά), η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται. Τα άτομα αποκτούν πρωτόνια διατηρώντας το ίδιο εξωτερικό ηλεκτρονικό κέλυφος, οπότε ο πυρήνας έλκει ισχυρότερα τα κοινά ηλεκτρόνια.
• Κατά μήκος μιας ομάδας (από πάνω προς τα κάτω), η ηλεκτραρνητικότητα μειώνεται. Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα σε κάθε διαδοχική σειρά, με αποτέλεσμα να εξασθενεί η έλξη, παρότι υπάρχουν περισσότερα πρωτόνια.

Το φθόριο, στο επάνω δεξί μέρος του πίνακα, έχει την υψηλότερη τιμή. Το φράγκιο, στο κάτω αριστερό μέρος, έχει τη χαμηλότερη.

Τα περισσότερα μέταλλα έχουν τιμή κάτω από 2,0 και τα περισσότερα αμέταλλα πάνω από αυτήν, αλλά πρόκειται για γενική τάση και όχι κανόνα: ορισμένα μέταλλα μετάπτωσης έχουν υψηλότερες τιμές, όπως ο χρυσός (2,54), η πλατίνα (2,28) και το ρόδιο (2,28).

Πώς να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον υπολογιστή

1. Πληκτρολογήστε το όνομα ενός στοιχείου (για παράδειγμα, «Οξυγόνο») ή το σύμβολό του (για παράδειγμα, «O») στο πεδίο εισαγωγής.
2. Το αποτέλεσμα εμφανίζει το σύμβολο, το όνομα και την τιμή στην κλίμακα Pauling του στοιχείου, καθώς και έναν δείκτη σε μια οπτική κλίμακα από τη χαμηλή έως την υψηλή τιμή.
3. Επιλέξτε «Αντιγραφή» για να αντιγράψετε την αριθμητική τιμή.

Η αντιστοίχιση λειτουργεί και με μερικό κείμενο («Oxy» βρίσκει το Oxygen) και αγνοεί τη χρήση κεφαλαίων («oxygen» και «OXYGEN» λειτουργούν και τα δύο). Όλα τα δεδομένα είναι αποθηκευμένα στην ίδια τη σελίδα, επομένως οι αναζητήσεις συνεχίζουν να λειτουργούν χωρίς σύνδεση στο διαδίκτυο, αφού φορτωθεί η σελίδα.

Στοιχεία χωρίς καταχωρισμένη τιμή

Είκοσι στοιχεία σε αυτόν τον υπολογιστή εμφανίζουν «Μη διαθέσιμο» αντί για αριθμό. Τέσσερα από αυτά είναι ευγενή αέρια: ήλιο, νέον, αργό και ραδόνιο. Αυτά τα αέρια σπάνια σχηματίζουν δεσμούς, επειδή τα εξωτερικά ηλεκτρονικά τους κελύφη είναι ήδη πλήρη. Το κρυπτό και το ξένο σχηματίζουν πράγματι μικρό αριθμό πραγματικών ενώσεων και έχουν καταχωρισμένες τιμές: 3,00 και 2,60.

Τα υπόλοιπα δεκαέξι είναι βαριά, τεχνητά στοιχεία, από το λωρέντσιο (στοιχείο 103) έως το ογκανέσσιο (στοιχείο 118). Υπάρχουν μόνο για σύντομο χρονικό διάστημα σε εργαστήρια και σε ποσότητες πολύ μικρές για τη μέτρηση των ενεργειών δεσμού, επομένως δεν έχει δημοσιευτεί αξιόπιστη τιμή ηλεκτραρνητικότητας για αυτά.

Αρκετές ακτινίδες, από το αμερίκιο έως το νομπέλιο, έχουν την ίδια εκτιμώμενη τιμή, 1,30, σε δημοσιευμένους πίνακες αναφοράς. Πρόκειται για τιμή-υποκατάστατο που βασίζεται στη χημική ομοιότητα και όχι για ξεχωριστά μετρημένη τιμή κάθε στοιχείου.

Ιστορία της κλίμακας Pauling

Οι χημικοί παρατήρησαν την άνιση συμπεριφορά έλξης ηλεκτρονίων πολύ πριν αποκτήσει όνομα. Το 1811, ο Jöns Jacob Berzelius πρότεινε ότι τα άτομα φέρουν φορτία τα οποία επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο συνδυάζονται. Αυτές οι πρώιμες ιδέες περιέγραφαν το φαινόμενο χωρίς να το μετρούν.

Ο Linus Pauling έδωσε στην ιδέα αριθμητική μορφή στην εργασία του 1932 «Η φύση του χημικού δεσμού», αντλώντας τιμές από μετρημένες ενέργειες δεσμού. Η εργασία συνέβαλε στο 1954 Βραβείο Νόμπελ Χημείας που έλαβε.

Μεταγενέστεροι χημικοί πρότειναν άλλες κλίμακες: την κλίμακα του Robert Mulliken 1934, που βασίζεται στην ενέργεια ιοντισμού και την ηλεκτρονιακή συγγένεια· την κλίμακα Allred–Rochow 1958, που βασίζεται στο πυρηνικό φορτίο και το ατομικό μέγεθος· και την κλίμακα του Leland Allen 1989, που βασίζεται σε φασματοσκοπικά δεδομένα. Η αρχική κλίμακα του Pauling παραμένει η πιο ευρέως διδαγμένη και αναφερόμενη.

Συχνές ερωτήσεις

Σε τι χρησιμεύει ένας υπολογιστής ηλεκτραρνητικότητας; Παρέχει γρήγορη αναφορά στην τιμή ηλεκτραρνητικότητας ενός στοιχείου στην κλίμακα Pauling, χωρίς να χρειάζεται έντυπος περιοδικός πίνακας. Χρησιμοποιείται για εργασίες, αναφορές εργαστηρίου και γενική αναφορά στη χημεία.

Πώς υπολογίζεται η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας; Αναζητήστε την τιμή κάθε στοιχείου και, στη συνέχεια, αφαιρέστε τον μικρότερο αριθμό από τον μεγαλύτερο. Για τα H και Cl, 3,16 − 2,20 = 0,96.

Ποιο στοιχείο έχει την υψηλότερη ηλεκτραρνητικότητα; Το φθόριο, με 3,98 στην κλίμακα Pauling, έχει την υψηλότερη τιμή στα δεδομένα αυτού του υπολογιστή.

Ποιο στοιχείο έχει τη χαμηλότερη ηλεκτραρνητικότητα; Το φράγκιο, με περίπου 0,70, έχει τη χαμηλότερη τιμή στα δεδομένα αυτού του υπολογιστή.

Γιατί τα ευγενή αέρια δεν έχουν τιμές ηλεκτραρνητικότητας; Τα περισσότερα ευγενή αέρια (ήλιο, νέον, αργό, ραδόνιο) σπάνια σχηματίζουν δεσμούς, επομένως δεν έχει μετρηθεί για αυτά κάποια ουσιαστική τιμή. Το κρυπτό και το ξένο αποτελούν εξαιρέσεις: σχηματίζουν μικρό αριθμό γνωστών ενώσεων και επομένως έχουν καταχωρισμένες τιμές σε αυτόν τον υπολογιστή.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ηλεκτραρνητικότητας και ηλεκτρονιακής συγγένειας; Η ηλεκτραρνητικότητα περιγράφει πόσο ισχυρά ένα άτομο έλκει ηλεκτρόνια ενώ είναι ήδη ενωμένο με άλλο άτομο· δεν έχει μονάδες και ορίζεται σε σχέση με άλλα στοιχεία. Η ηλεκτρονιακή συγγένεια είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν ένα ξεχωριστό, μη ενωμένο άτομο αποκτά ένα ηλεκτρόνιο και μετράται σε kJ/mol ή eV. Τα δύο μεγέθη συσχετίζονται, αλλά δεν είναι ίδια.

Πόσο ακριβείς είναι αυτές οι τιμές; Οι τιμές προέρχονται από κοινώς δημοσιευμένους πίνακες της κλίμακας Pauling. Διαφορετικές πηγές αναφοράς παρουσιάζουν μερικές φορές διαφορές λίγων εκατοστών, οι οποίες αντικατοπτρίζουν διαφορετικές μετρήσεις ή μεθόδους υπολογισμού. Για εκπαιδευτικές εργασίες και γενική εργαστηριακή χρήση, αυτή η απόκλιση σπάνια έχει σημασία.

Παραπομπές

1. Pauling, L. (1932). «The Nature of the Chemical Bond. IV.» Journal of the American Chemical Society, 54(9), 3570–3582.
2. Mulliken, R. S. (1934). «A New Electroaffinity Scale.» The Journal of Chemical Physics, 2(11), 782–793.
3. Allred, A. L., & Rochow, E. G. (1958). «A scale of electronegativity based on electrostatic force.» Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 5(4), 264–268.
4. IUPAC. Περιοδικός πίνακας των στοιχείων.