Ionisch Karakter Calculator - Pauling's Formule | Bindingspolariteit

Wat is ionisch karakter?

Ionisch karakter is een maat voor de mate waarin twee atomen elektronen ongelijk delen in een chemische binding. Het wordt uitgedrukt als een percentage van 0% (de elektronen worden gelijk gedeeld, een zuiver covalente binding) tot net onder 100% (het ene atoom heeft bijna volledig een elektron van het andere overgenomen, wat dicht bij een zuiver ionische binding ligt). De meeste echte bindingen bevinden zich ergens tussen deze twee uitersten. De calculator voor ionisch karakter schat dit percentage op basis van de elektronegativiteit van de twee gebonden atomen, met een formule die is gepubliceerd door de scheikundige Linus Pauling.

Elektronegativiteit is een getal dat aangeeft hoe sterk een atoom gedeelde elektronen naar zich toe trekt. Op de gebruikelijke schaal van Pauling lopen de waarden van ongeveer 0,7 (cesium en francium, die de elektronen zwak aantrekken) tot 4,0 (fluor, dat de elektronen het sterkst aantrekt). Wanneer twee gebonden atomen sterk verschillende waarden voor elektronegativiteit hebben, trekt het ene atoom de gedeelde elektronen veel sterker aan dan het andere en heeft de binding een sterk ionisch karakter.

Ionisch karakter berekenen (formule van Pauling)

De calculator gebruikt deze formule:

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

Hier is Δχ (delta chi) het absolute verschil tussen de waarden voor elektronegativiteit van de twee atomen en is e het getal van Euler, ongeveer 2,71828.

Gebruik de formule als volgt:

1. Zoek de elektronegativiteit volgens Pauling van elk atoom op. De meeste periodieke tabellen en scheikundeboeken vermelden deze waarden.
2. Trek de kleinste waarde af van de grootste om Δχ te verkrijgen. De volgorde van de atomen maakt niet uit, omdat alleen het verschil wordt gebruikt.
3. Kwadrateer Δχ, vermenigvuldig dit met −0,25 en verhef e tot die macht.
4. Trek het resultaat af van 1 en vermenigvuldig met 100 om het percentage te verkrijgen.

Het verband is geen rechte lijn. Een Δχ van 0,5 geeft een ionisch karakter van ongeveer 6%, maar een Δχ van 1,0 geeft ongeveer 22%, niet 12%. Kleine toenames in het verschil in elektronegativiteit veroorzaken steeds grotere sprongen in het ionische karakter, totdat de curve afvlakt en 100% nadert maar nooit bereikt.

Uitgewerkt voorbeeld: de koolstof-zuurstofbinding

De C–O-binding, die voorkomt in alcoholen en veel andere organische moleculen, is een typisch geval.

• Elektronegativiteit van koolstof: 2,5
• Elektronegativiteit van zuurstof: 3,5
• Verschil: Δχ = |3,5 − 2,5| = 1,0
• Ionisch karakter: (1 − e^(−0,25 × 1,0²)) × 100 ≈ 22,1%
• Classificatie: polair covalent

Uitgewerkt voorbeeld: de natrium-chloorbinding

• Elektronegativiteit van natrium: 0,9
• Elektronegativiteit van chloor: 3,0
• Verschil: Δχ = |3,0 − 0,9| = 2,1
• Ionisch karakter: (1 − e^(−0,25 × 2,1²)) × 100 ≈ 66,8%
• Classificatie: ionisch

Zelfs de Na–Cl-binding in keukenzout, een schoolvoorbeeld van een ionische binding, komt uit op een ionisch karakter van ongeveer 67% in plaats van 100%. De formule van Pauling beschouwt elke binding als gedeeltelijk covalent en gedeeltelijk ionisch; geen gewone binding bereikt de volledige 100%.

Classificatie van bindingen

De calculator deelt het resultaat in drie categorieën in:

Deze grenswaarden zijn een conventie en geen scherpe fysische grens. Een binding met een ionisch karakter van 49% gedraagt zich maar weinig anders dan een binding met 51%.

Meer voorbeelden

Waarom ionisch karakter belangrijk is

Bindingen met een sterker ionisch karakter komen vaak voor in verbindingen die in water oplossen, harde kristallijne vaste stoffen vormen en elektriciteit geleiden wanneer ze gesmolten of opgelost zijn. Bindingen met een zwak ionisch karakter komen daarentegen vaak voor in verbindingen die zich mengen met oliën en andere niet-polaire stoffen. Dit is de basis van de regel "soort zoekt soort": water, dat uit polaire O–H-bindingen bestaat, lost andere polaire of ionische stoffen veel beter op dan niet-polaire stoffen zoals plantaardige olie.

Geschiedenis van de formule

Linus Pauling publiceerde de eerste numerieke schaal voor elektronegativiteit in 1932 in het Journal of the American Chemical Society. Hij stelde de schaal op door gemeten bindingsenergieën te vergelijken. De bovenstaande exponentiële formule verscheen later, in zijn boek The Nature of the Chemical Bond, dat voor het eerst werd gedrukt in 1939 en herzien in 1960. Paulings werk over chemische bindingen leverde hem de 1954 Nobelprijs voor Scheikunde op.

Sindsdien hebben andere wetenschappers verschillende schalen voor elektronegativiteit voorgesteld, waaronder de schaal van Robert Mulliken (1934), die is gebaseerd op ionisatie-energie en elektronenaffiniteit. De schaal van Pauling wordt tegenwoordig nog steeds het meest onderwezen en gebruikt.

Beperkingen van de formule van Pauling

De formule van Pauling is een benadering. Ze werkt goed voor eenvoudige, veelvoorkomende bindingen, maar heeft bekende beperkingen.

• De formule gebruikt alleen elektronegativiteit en houdt dus geen rekening met effecten zoals resonantie (elektronen die over meerdere atomen zijn verspreid, zoals in benzeen) en de omringende moleculaire structuur.
• Verschillende scheikundeboeken vermelden voor hetzelfde element iets verschillende waarden voor elektronegativiteit, waardoor het resultaat verandert.
• Een resultaat boven 50% komt niet altijd overeen met de manier waarop scheikundigen een echte stof classificeren. Toepassing van de formule op waterstof en fluor (2,1 en 4,0) geeft Δχ = 1,9 en een ionisch karakter van ongeveer 59%, boven de ionische grenswaarde. Waterstoffluoride wordt echter gewoonlijk beschreven als een polair covalent molecuul en niet als een ionische verbinding, omdat het als afzonderlijke moleculen voorkomt en niet als een ionrooster zoals natriumchloride. Het percentage is een bruikbare schatting, geen strikte regel.

Voor nauwkeurigere waarden gebruiken scheikundigen computationele methoden zoals de dichtheidsfunctionaaltheorie, of experimentele technieken zoals röntgenkristallografie en infraroodspectroscopie, die de elektronenverdeling rechtstreeks meten.

Veelgestelde vragen

Wat is ionisch karakter?

Ionisch karakter is het geschatte percentage van het karakter van een chemische binding dat voortkomt uit het wegtrekken van een elektron door het ene atoom van het andere, in plaats van het elektron gelijk te delen. Het varieert van bijna 0% voor identieke atomen tot net onder 100% voor atomen met sterk verschillende elektronegativiteit.

Wat is de formule van Pauling voor ionisch karakter?

Ionisch karakter (%) = (1 − e^(−0,25 × Δχ²)) × 100, waarbij Δχ het absolute verschil is tussen de waarden voor elektronegativiteit volgens Pauling van de twee gebonden atomen.

Waarom is geen enkele binding 100% ionisch?

De formule nadert 100% naarmate Δχ groter wordt, maar bereikt deze waarde nooit, omdat ze elektronenoverdracht als een waarschijnlijkheid behandelt en niet als een alles-of-nietsgebeurtenis. Zelfs sterk ionische bindingen, zoals de Cs–F-binding in cesiumfluoride (verschil in elektronegativiteit van ongeveer 3,2), komen uit op ongeveer 92% in plaats van 100%, omdat er nog steeds enige elektronenparing plaatsvindt.

Hoe nauwkeurig is de formule van Pauling?

Voor veelvoorkomende bindingen komt de formule in grote lijnen overeen met resultaten van geavanceerdere methoden, zoals computationele chemie en röntgenkristallografie. Ze houdt geen rekening met resonantie of de effecten van de volledige structuur van een molecuul en werkt daarom het best als een algemene schatting en niet als een exacte meting.

Is ionisch karakter hetzelfde als polariteit van een binding?

Ze houden verband met elkaar, maar zijn niet identiek. De polariteit van een binding beschrijft de ladingsscheiding in een binding, die vaak wordt gemeten als een dipoolmoment. Ionisch karakter is een percentage dat uitsluitend op basis van elektronegativiteit schat hoeveel elektronenoverdracht er plaatsvindt ten opzichte van elektronenparing. Een binding met een sterker ionisch karakter heeft doorgaans een groter dipoolmoment.

Waar komen waarden voor elektronegativiteit vandaan?

Ze komen van de schaal voor elektronegativiteit van Pauling, die in de meeste algemene scheikundeboeken en periodieke tabellen te vinden is. Waarden op deze schaal lopen over het algemeen van ongeveer 0,7 voor cesium en francium tot 4,0 voor fluor.