Ioninen luonne -laskuri - Paulingin kaava | Sidoksen poolisuus
Laske ioninen luonne -prosentti kemiallisissa sidoksissa Paulingin kaavalla. Määritä sidoksen poolisuus ja luokittele sidokset kovalenttisiksi, polaarisiksi tai ionisiksi. Ilmainen kemian työkalu esimerkeillä.
Ionisen luonteen prosenttilaskuri
Laske kemiallisen sidoksen ionisen luonteen prosentti Paulingin kaavalla.
Laskentakaava
% ioninen luonne = (1 - e^(-0.25 * (Δχ)²)) * 100, missä Δχ on elektronegatiivisuuden ero
Sidoksen tyypin visualisointi
Tietoa
Kemiallisen sidoksen ioninen luonne määräytyy atomien elektronegatiivisuuden eron perusteella:
- Ei-polaarinen kovalenttinen side: 0-5% ioninen luonne
- Polaarinen kovalenttinen side: 5-50% ioninen luonne
- Ioninen side: >50% ioninen luonne
Dokumentaatio
Mitä ioniluonne tarkoittaa?
Ioniluonne mittaa sitä, kuinka epätasaisesti kaksi atomia jakaa elektronit kemiallisessa sidoksessa. Se ilmoitetaan prosenttiosuutena arvosta 0 % (elektronit jakautuvat tasan, sidos on puhtaasti kovalenttinen) aina hieman alle arvoon 100 % (toinen atomi on lähes kokonaan ottanut elektronin toiselta, joten sidos on lähes puhtaasti ioninen). Useimmat todelliset sidokset sijoittuvat näiden ääripäiden väliin. Ioniluonteen laskin arvioi prosenttiosuuden sidoksen muodostavien atomien elektronegatiivisuuksien perusteella käyttäen kemisti Linus Paulingin julkaisemaa kaavaa.
Elektronegatiivisuus on luku, joka ilmaisee, kuinka voimakkaasti atomi vetää jaettuja elektroneja puoleensa. Yleisellä Paulingin asteikolla arvot vaihtelevat noin arvosta 0,7 (cesium ja frankium, heikosti elektroneja puoleensa vetävät) arvoon 4,0 (fluori, voimakkaimmin elektroneja puoleensa vetävä). Kun kahdella sidoksen muodostavalla atomilla on hyvin erilaiset elektronegatiivisuudet, toinen atomi vetää jaettuja elektroneja paljon voimakkaammin kuin toinen, ja sidoksella on voimakas ioniluonne.
Ioniluonteen laskeminen (Paulingin kaava)
Laskin käyttää tätä kaavaa:
Tässä Δχ (delta-kii) on atomien elektronegatiivisuusarvojen absoluuttinen erotus ja e on Eulerin luku, noin 2,71828.
Kaavan käyttö:
- Selvitä kummankin atomin Paulingin elektronegatiivisuus. Useimmissa jaksollisissa järjestelmissä ja kemian oppikirjoissa nämä arvot ilmoitetaan.
- Vähennä pienempi arvo suuremmasta saadaksesi Δχ:n. Atomien järjestyksellä ei ole merkitystä, koska käytetään vain erotusta.
- Korota Δχ toiseen potenssiin, kerro tulos luvulla −0,25 ja korota e tähän potenssiin.
- Vähennä tulos luvusta 1 ja kerro tulos luvulla 100 saadaksesi prosenttiosuuden.
Riippuvuus ei ole lineaarinen. Δχ-arvo 0,5 antaa ioniluonteeksi noin 6 %, mutta Δχ-arvo 1,0 antaa noin 22 % eikä 12 %. Pienet elektronegatiivisuuseron kasvut aiheuttavat yhä suurempia hyppäyksiä ioniluonteessa, kunnes käyrä tasaantuu ja lähestyy arvoa 100 % sitä kuitenkaan saavuttamatta.
hiili–happisidos
Alkoholeissa ja monissa muissa orgaanisissa molekyyleissä esiintyvä C–O-sidos on tyypillinen esimerkki.
- Hiilen elektronegatiivisuus: 2,5
- Hapen elektronegatiivisuus: 3,5
- Erotus: Δχ = |3,5 − 2,5| = 1,0
- Ioniluonne: (1 − e^(−0,25 × 1,0²)) × 100 ≈ 22,1 %
- Luokitus: poolinen kovalenttinen
natrium–kloorisidos
- Natriumin elektronegatiivisuus: 0,9
- Kloorin elektronegatiivisuus: 3,0
- Erotus: Δχ = |3,0 − 0,9| = 2,1
- Ioniluonne: (1 − e^(−0,25 × 2,1²)) × 100 ≈ 66,8 %
- Luokitus: ioninen
Jopa ruokasuolan Na–Cl-sidos, joka on oppikirjojen esimerkki ionisidoksesta, antaa ioniluonteeksi noin 67 % eikä 100 %. Paulingin kaava käsittelee jokaista sidosta osittain kovalenttisena ja osittain ionisena, eikä mikään tavallinen sidos saavuta täyttä arvoa 100 %.
Sidosten luokittelu
Laskin jakaa tuloksen kolmeen luokkaan:
| Ioniluonne | Luokitus | Esimerkki |
|---|---|---|
| 5 % tai vähemmän | Pooliton kovalenttinen | C–C, C–H |
| Yli 5 %, enintään 50 % | Poolinen kovalenttinen | C–O, H–Cl |
| Yli 50 % | Ioninen | Na–Cl, K–F |
Nämä rajat ovat sopimuksenvaraisia eivätkä jyrkkiä fysikaalisia rajoja. Sidos, jonka ioniluonne on 49 %, käyttäytyy vain hieman eri tavalla kuin sidos, jonka ioniluonne on 51 %.
Lisää esimerkkejä
| Sidos | Elektronegatiivisuus 1 | Elektronegatiivisuus 2 | Δχ | Ioniluonne | Luokitus |
|---|---|---|---|---|---|
| C–C | 2,5 | 2,5 | 0 | 0 % | Pooliton kovalenttinen |
| C–H | 2,5 | 2,1 | 0,4 | 3,92 % | Pooliton kovalenttinen |
| C–O | 2,5 | 3,5 | 1,0 | 22,12 % | Poolinen kovalenttinen |
| H–Cl | 2,1 | 3,0 | 0,9 | 18,33 % | Poolinen kovalenttinen |
| Na–Cl | 0,9 | 3,0 | 2,1 | 66,80 % | Ioninen |
| K–F | 0,8 | 4,0 | 3,2 | 92,27 % | Ioninen |
Miksi ioniluonteella on merkitystä?
Sidokset, joilla on voimakkaampi ioniluonne, kuuluvat yleensä yhdisteisiin, jotka liukenevat veteen, muodostavat kovia kiderakenteita ja johtavat sähköä sulina tai liuoksina. Sidokset, joilla on heikko ioniluonne, kuuluvat sen sijaan yleensä yhdisteisiin, jotka sekoittuvat öljyihin ja muihin poolittomiin aineisiin. Tämä on säännön ”samanlainen liuottaa samanlaista” perusta: poolisista O–H-sidoksista koostuva vesi liuottaa muita poolisia tai ionisia aineita paljon paremmin kuin poolittomia aineita, kuten kasviöljyä.
Kaavan historia
Linus Pauling julkaisi ensimmäisen numeerisen elektronegatiivisuusasteikon vuonna 1932 Journal of the American Chemical Society -lehdessä. Hän rakensi asteikon vertailemalla mitattuja sidosenergioita. Edellä esitetty eksponenttikaava tuli myöhemmin hänen kirjaansa The Nature of the Chemical Bond, joka painettiin ensimmäisen kerran vuonna 1939 ja jota tarkistettiin vuonna 1960. Paulingin kemiallisia sidoksia koskeva työ toi hänelle 1954 Nobelin kemianpalkinnon.
Muut tutkijat ovat sittemmin ehdottaneet muita elektronegatiivisuusasteikkoja, kuten Robert Mullikenin asteikon (1934), joka perustuu ionisaatioenergiaan ja elektronaffiniteettiin. Paulingin asteikko on edelleen laajimmin opetettu ja käytetty.
Paulingin kaavan rajoitukset
Paulingin kaava on approksimaatio. Se toimii hyvin yksinkertaisille ja yleisille sidoksille, mutta sillä on tunnettuja rajoituksia.
- Se käyttää vain elektronegatiivisuutta, joten se ei huomioi esimerkiksi resonanssin vaikutuksia (elektronit jakautuvat usean atomin kesken, kuten bentseenissä) eikä ympäröivää molekyylirakennetta.
- Eri oppikirjoissa ilmoitetaan samalle alkuaineelle hieman erilaisia elektronegatiivisuusarvoja, mikä muuttaa tulosta.
- Yli 50 %:n tulos ei aina vastaa sitä, miten kemistit luokittelevat todellisen aineen. Kun kaavaa sovelletaan vetyyn ja fluoriin (2,1 ja 4,0), saadaan Δχ = 1,9 ja ioniluonteeksi noin 59 %, mikä ylittää ionisen sidoksen rajan. Vetyfluoridia kuvataan kuitenkin yleensä pooliseksi kovalenttiseksi molekyyliksi eikä ioniyhdisteeksi, koska se esiintyy erillisinä molekyyleinä eikä natriumkloridin kaltaisena ionihilana. Prosenttiosuus on hyödyllinen arvio, ei ehdoton sääntö.
Tarkempia arvoja varten kemistit käyttävät laskennallisia menetelmiä, kuten tiheysfunktionaaliteoriaa, tai kokeellisia tekniikoita, kuten röntgenkristallografiaa ja infrapunaspektroskopiaa, jotka mittaavat elektronijakauman suoraan.
Usein kysyttyä
Mitä ioniluonne tarkoittaa?
Ioniluonne on arvioitu prosenttiosuus kemiallisen sidoksen luonteesta, joka johtuu siitä, että toinen atomi vetää elektronin pois toiselta sen sijaan, että atomit jakaisivat elektronin tasan. Se vaihtelee identtisten atomien tapauksessa lähellä arvoa 0 % ja hyvin erilaisten elektronegatiivisuuksien tapauksessa hieman alle arvon 100 %.
Mikä on Paulingin kaava ioniluonteelle?
Ioniluonne (%) = (1 − e^(−0,25 × Δχ²)) × 100, jossa Δχ on kahden sidoksen muodostavan atomin Paulingin elektronegatiivisuusarvojen absoluuttinen erotus.
Miksi mikään sidos ei ole 100 % ioninen?
Kaava lähestyy arvoa 100 % Δχ:n kasvaessa mutta ei saavuta sitä, koska se käsittelee elektronin siirtymistä todennäköisyytenä eikä joko–tai-tapahtumana. Jopa erittäin ioniset sidokset, kuten cesiumfluoridin Cs–F-sidos (elektronegatiivisuusero noin 3,2), saavat arvoksi noin 92 % eivätkä 100 %, koska elektronien jakautumista tapahtuu edelleen jonkin verran.
Kuinka tarkka Paulingin kaava on?
Yleisten sidosten tapauksessa se vastaa yleisesti ottaen kehittyneempien menetelmien, kuten laskennallisen kemian ja röntgenkristallografian, tuloksia. Se ei huomioi resonanssia eikä molekyylin koko rakenteen vaikutuksia, joten se soveltuu parhaiten yleiseksi arvioksi eikä tarkaksi mittaukseksi.
Onko ioniluonne sama asia kuin sidoksen poolisuus?
Ne liittyvät toisiinsa, mutta eivät ole sama asia. Sidoksen poolisuus kuvaa varauksen erottumista sidoksessa, jota mitataan usein dipolimomentilla. Ioniluonne on pelkästään elektronegatiivisuudesta johdettu prosenttiarvio siitä, kuinka paljon sidoksessa tapahtuu elektronien siirtymistä verrattuna niiden jakamiseen. Voimakkaamman ioniluonteen omaavalla sidoksella on yleensä suurempi dipolimomentti.
Mistä elektronegatiivisuusarvot ovat peräisin?
Ne ovat peräisin Paulingin elektronegatiivisuusasteikolta, joka esitetään useimmissa yleisen kemian oppikirjoissa ja jaksollisissa järjestelmissä. Tämän asteikon arvot vaihtelevat yleensä noin cesiumin ja frankiumin arvosta 0,7 fluorin arvoon 4,0.