Joniskā rakstura kalkulators - Poulinga formula | Saišu polaritāte
Aprēķiniet jonisko rakstura procentuālo daļu ķīmiskajās saitēs, izmantojot Poulinga formulu. Noteikiet saišu polaritāti un klasificējiet saites kā kovalentās, polārās vai joniskās. Bezmaksas ķīmijas rīks ar piemēriem.
Joniskā rakstura procentuālās attiecības kalkulators
Aprēķiniet ķīmiskās saites jonisko raksturu, izmantojot Poulinga formulu.
Aprēķina formula
% joniskais raksturs = (1 - e^(-0,25 * (Δχ)²)) * 100, kur Δχ ir elektronegativitātes starpība
Saites veida vizualizācija
Informācija
Ķīmiskās saites jonisko raksturu nosaka elektronegativitātes starpība starp atomiem:
- Nepolāras kovalentās saites: 0-5% joniskais raksturs
- Polāras kovalentās saites: 5-50% joniskais raksturs
- Joniskās saites: >50% joniskais raksturs
Dokumentācija
Kas ir jonu raksturs?
Jonu raksturs ir mērs tam, cik nevienmērīgi divi atomi ķīmiskajā saitē dala elektronus. To izsaka procentos no 0% (elektroni tiek dalīti vienādi, saite ir tīri kovalenta) līdz vērtībai, kas ir nedaudz mazāka par 100% (viens atoms gandrīz pilnībā paņem elektronu no otra, un saite ir tuva tīri jonu saitei). Lielākā daļa reālo saišu atrodas kaut kur starp šīm abām galējībām. Jonu rakstura kalkulators šo procentuālo vērtību aprēķina pēc saistīto atomu elektronegativitātes, izmantojot ķīmiķa Linusa Polinga publicētu formulu.
Elektronegativitāte ir skaitlis, kas raksturo, cik spēcīgi atoms pievelk kopīgos elektronus sev. Plaši izmantotajā Polinga skalā vērtības ir no aptuveni 0,7 (cēzijs un francijs, vāji pievilcēji) līdz 4,0 (fluors, spēcīgākais pievilcējs). Ja diviem saistītiem atomiem ir ļoti atšķirīgas elektronegativitātes vērtības, viens atoms kopīgos elektronus pievelk daudz spēcīgāk nekā otrs, un saitei ir augsts jonu raksturs.
Kā aprēķināt jonu raksturu (Polinga formula)
Kalkulators izmanto šo formulu:
Šeit Δχ (delta hī) ir abu atomu elektronegativitātes vērtību absolūtā starpība, bet e ir Eilera skaitlis, aptuveni 2,71828.
Lai izmantotu formulu:
- Atrodiet katra atoma Polinga elektronegativitāti. Šīs vērtības ir norādītas lielākajā daļā periodisko tabulu un ķīmijas mācību grāmatu.
- Lai iegūtu Δχ, no lielākās vērtības atņemiet mazāko. Atomiem nav nozīmes secība, jo tiek izmantota tikai starpība.
- Kāpiniet Δχ kvadrātā, reiziniet ar −0,25 un kāpiniet e šajā pakāpē.
- No 1 atņemiet iegūto rezultātu un reiziniet ar 100, lai iegūtu procentuālo vērtību.
Šī sakarība nav lineāra. Δχ = 0,5 dod aptuveni 6% jonu raksturu, bet Δχ = 1,0 dod aptuveni 22%, nevis 12%. Neliels elektronegativitātes starpības pieaugums rada arvien lielāku jonu rakstura pieaugumu, līdz līkne izlīdzinās un tuvojas, bet nekad nesasniedz 100%.
Aprēķina piemērs: oglekļa un skābekļa saite
C–O saite, kas sastopama spirtos un daudzās citās organiskajās molekulās, ir tipisks piemērs.
- Oglekļa elektronegativitāte: 2,5
- Skābekļa elektronegativitāte: 3,5
- Starpība: Δχ = |3,5 − 2,5| = 1,0
- Jonu raksturs: (1 − e^(−0,25 × 1,0²)) × 100 ≈ 22,1%
- Klasifikācija: polāra kovalenta saite
Aprēķina piemērs: nātrija un hlora saite
- Nātrija elektronegativitāte: 0,9
- Hlora elektronegativitāte: 3,0
- Starpība: Δχ = |3,0 − 0,9| = 2,1
- Jonu raksturs: (1 − e^(−0,25 × 2,1²)) × 100 ≈ 66,8%
- Klasifikācija: jonu saite
Pat galda sāls Na–Cl saitei, kas ir mācību grāmatu piemērs jonu saitei, jonu raksturs ir aptuveni 67%, nevis 100%. Polinga formula katru saiti aplūko kā daļēji kovalentu un daļēji jonu saiti, un neviena parasta saite nesasniedz pilnus 100%.
Saites klasifikācija
Kalkulators rezultātu iedala trīs kategorijās:
| Jonu raksturs | Klasifikācija | Piemērs |
|---|---|---|
| 5% vai mazāks | Nepolāra kovalenta saite | C–C, C–H |
| Vairāk nekā 5%, līdz 50% | Polāra kovalentā saite | C–O, H–Cl |
| Vairāk nekā 50% | Joniskā saite | Na–Cl, K–F |
Šīs robežvērtības ir konvencija, nevis precīza fizikāla robeža. Saite ar 49% jonu raksturu uzvedas tikai nedaudz citādi nekā saite ar 51%.
Citi piemēri
| Saite | Elektronegativitāte 1 | Elektronegativitāte 2 | Δχ | Jonu raksturs | Klasifikācija |
|---|---|---|---|---|---|
| C–C | 2,5 | 2,5 | 0 | 0% | Nepolāra kovalenta saite |
| C–H | 2,5 | 2,1 | 0,4 | 3,92% | Nepolāra kovalenta saite |
| C–O | 2,5 | 3,5 | 1,0 | 22,12% | Polāra kovalentā saite |
| H–Cl | 2,1 | 3,0 | 0,9 | 18,33% | Polāra kovalentā saite |
| Na–Cl | 0,9 | 3,0 | 2,1 | 66,80% | Joniskā saite |
| K–F | 0,8 | 4,0 | 3,2 | 92,27% | Joniskā saite |
Kāpēc jonu raksturs ir svarīgs
Saites ar lielāku jonu raksturu parasti ir savienojumos, kas šķīst ūdenī, veido cietus kristāliskus ķermeņus un izkausētā vai izšķīdušā stāvoklī vada elektrību. Saites ar mazu jonu raksturu parasti ir savienojumos, kas tā vietā sajaucas ar eļļām un citām nepolārām vielām. Tas ir likuma “līdzīgs šķīdina līdzīgu” pamats: ūdens, ko veido polāras O–H saites, daudz labāk šķīdina citas polāras vai jonu vielas nekā nepolāras vielas, piemēram, augu eļļu.
Formulas vēsture
Linuss Polings pirmo skaitlisko elektronegativitātes skalu publicēja 1932. gadā žurnālā Journal of the American Chemical Society. Viņš izveidoja skalu, salīdzinot izmērītās saišu enerģijas. Iepriekš minētā eksponenciālā formula parādījās vēlāk, viņa grāmatā The Nature of the Chemical Bond, kas pirmo reizi tika izdota 1939. gadā un pārstrādāta 1960. gadā. Par darbu ķīmisko saišu izpētē Polings saņēma 1954. gada Nobela prēmiju ķīmijā.
Kopš tā laika citi zinātnieki ir ierosinājuši citas elektronegativitātes skalas, tostarp Roberta Mulikena skalu (1934), kas balstīta uz jonizācijas enerģiju un elektronu afinitāti. Polinga skala joprojām ir visplašāk mācītā un izmantotā skala.
Polinga formulas ierobežojumi
Polinga formula ir aptuvens aprēķins. Tā labi darbojas vienkāršām, izplatītām saitēm, taču tai ir zināmi ierobežojumi.
- Tā izmanto tikai elektronegativitāti, tāpēc neņem vērā tādus efektus kā rezonanse (elektroni ir izkliedēti pa vairākiem atomiem, kā benzolā) un apkārtējā molekulārā struktūra.
- Dažādās mācību grāmatās vienam un tam pašam elementam ir norādītas nedaudz atšķirīgas elektronegativitātes vērtības, kas maina rezultātu.
- Rezultāts virs 50% ne vienmēr atbilst tam, kā ķīmiķi klasificē reālu vielu. Izmantojot formulu ūdeņradim un fluoram (2,1 un 4,0), iegūst Δχ = 1,9 un jonu raksturu aptuveni 59%, kas pārsniedz jonu saites robežvērtību. Tomēr ūdeņraža fluorīdu parasti apraksta kā polāru kovalentu molekulu, nevis jonu savienojumu, jo tas pastāv atsevišķu molekulu veidā, nevis jonu režģa formā kā nātrija hlorīds. Procentuālā vērtība ir noderīgs aptuvens novērtējums, nevis stingrs noteikums.
Precīzākām vērtībām ķīmiķi izmanto skaitļošanas metodes, piemēram, blīvuma funkcionāļa teoriju, vai eksperimentālas metodes, piemēram, rentgenstaru kristalogrāfiju un infrasarkano spektroskopiju, kas tieši mēra elektronu sadalījumu.
Biežāk uzdotie jautājumi
Kas ir jonu raksturs?
Jonu raksturs ir aptuvens procentuāls novērtējums tam, kādu ķīmiskās saites rakstura daļu rada viena atoma elektrona atraušana no otra, nevis abu atomu vienāda elektronu dalīšana. Tas svārstās no vērtības, kas ir tuva 0% identiskiem atomiem, līdz vērtībai, kas ir nedaudz mazāka par 100% atomiem ar ļoti atšķirīgu elektronegativitāti.
Kāda ir Polinga formula jonu rakstura aprēķināšanai?
Jonu raksturs (%) = (1 − e^(−0,25 × Δχ²)) × 100, kur Δχ ir abu saistīto atomu Polinga elektronegativitātes vērtību absolūtā starpība.
Kāpēc neviena saite nav 100% jonu saite?
Palielinoties Δχ, formula tuvojas 100%, bet to nekad nesasniedz, jo elektronu pārnese tajā aplūkota kā varbūtība, nevis kā process, kas notiek tikai pilnībā vai nenotiek nemaz. Pat ļoti jonu saitēm, piemēram, cēzija fluorīda Cs–F saitei (elektronegativitātes starpība aptuveni 3,2), iegūst aptuveni 92%, nevis 100%, jo zināma elektronu dalīšana joprojām notiek.
Cik precīza ir Polinga formula?
Izplatītām saitēm tā kopumā atbilst progresīvāku metožu, piemēram, skaitļošanas ķīmijas un rentgenstaru kristalogrāfijas, rezultātiem. Tā neņem vērā rezonansi vai pilnās molekulārās struktūras ietekmi, tāpēc vislabāk noder kā vispārīgs aptuvens novērtējums, nevis precīzs mērījums.
Vai jonu raksturs ir tas pats, kas saites polaritāte?
Šie jēdzieni ir saistīti, bet nav identiski. Saites polaritāte raksturo lādiņa atdalīšanos saitē, ko bieži mēra ar dipola momentu. Jonu raksturs ir procentuāls novērtējums, kas iegūts tikai no elektronegativitātes un raksturo elektronu pārneses un dalīšanas attiecību. Saitei ar lielāku jonu raksturu parasti ir lielāks dipola moments.
No kurienes iegūst elektronegativitātes vērtības?
Tās iegūst no Polinga elektronegativitātes skalas, kas atrodama lielākajā daļā vispārīgās ķīmijas mācību grāmatu un periodisko tabulu. Šīs skalas vērtības parasti ir no aptuveni 0,7 cēzijam un francijam līdz 4,0 fluoram.