Съдържание
- Структура на атома
- Основи на химичното свързване
- Химически връзки и електроотрицателност
- Стойности на електроотрицателност и периодичната таблица
- По-нататъшна работа: Повърхностни атоми
Електроотрицателността е понятие в молекулярната химия, което описва способността на атомите да привличат електрони към себе си. Колкото по-висока е числовата стойност на дадена атома електроотрицателност, толкова по-мощно тя привлича отрицателно заредени електрони към положително зареденото ядро от протони и (с изключение на водород) неутрони.
Тъй като атомите не съществуват изолирано и вместо това образуват молекулни съединения чрез комбиниране с други атоми, концепцията за електроотрицателност е важна, защото тя определя естеството на връзките между атомите. Атомите се присъединяват към други атоми чрез процес на споделяне на електрони, но това наистина може да се разглежда повече като неразрешима игра на буксир на войната: атомите остават свързани заедно, тъй като нито един атом не "печели", тяхното съществено взаимно привличане поддържа общите им електрони да се приближават до някаква доста добре определена точка между тях.
Структура на атома
Атомите се състоят от протони и неутрони, които съставляват центъра или ядрото на атомите, и електрони, които „обикалят“ около ядрото по-скоро като много малки планети или комети, които се въртят със скорости на лудницата около миниатюрно слънце. Протонът носи положителен заряд от 1,6 х 10-19 куломи или С, докато електроните носят отрицателен заряд със същата величина. Атомите обикновено имат същия брой протони и електрони, което ги прави електрически неутрални. Атомите обикновено имат приблизително еднакъв брой протони и неутрони.
Определен тип или разнообразие на атом, наречен елемент, се определя от броя на протоните, които има, наречен атомно число на този елемент.Водородът с атомно число 1 има един протон; уран, който има 92 протона, съответно е номер 92 в периодичната таблица на елементите (вижте Ресурсите за пример на интерактивна периодична таблица).
Когато един атом претърпи промяна в броя на протоните, той вече не е същия елемент. Когато един атом спечели или загуби неутрони, от друга страна, той остава същия елемент, но е an изотоп от първоначалната, най-химически стабилна форма. Когато един атом спечели или загуби електрони, но в противен случай остава същият, той се нарича an йон.
Електроните, намиращи се на физическите ръбове на тези микроскопични устройства, са компонентите на атомите, които участват в свързването с други атоми.
Основи на химичното свързване
Фактът, че ядрата на атомите са положително заредени, докато електроните, които се намират около физическите граници на атомите, са отрицателно заредени, определя начина, по който отделните атоми взаимодействат един с друг. Когато два атома са много близо една до друга, те се отблъскват един друг, без значение какви елементи представляват, защото съответните им електрони се „срещат“ най-напред, а отрицателните заряди се изтласкват срещу други отрицателни заряди. Съответните им ядра, макар да не са толкова близо, колкото техните електрони, също се отблъскват взаимно. Когато атомите са на достатъчно разстояние един от друг, те са склонни да се привличат един друг. (Йони, както скоро ще видите, са изключение; два положително заредени йона винаги ще се отблъскват един друг и ще се отчитат за отрицателно заредени йонни двойки.) Това означава, че на определено равновесно разстояние, атрактивните и отблъскващи сили балансират и атомите ще остане на това разстояние един от друг, освен ако не е обезпокоен от други сили.
Потенциалната енергия в двойка атом-атом се определя като отрицателна, ако атомите са привлечени един към друг и положителна, ако атомите са свободни да се отдалечават един от друг. При равновесното разстояние потенциалната енергия между атома е най-ниската (т.е. най-отрицателната) стойност. Това се нарича енергия на връзката на въпросния атом.
Химически връзки и електроотрицателност
Разнообразие от видове атомни връзки пепелят пейзажа на молекулярната химия. Най-важните за настоящите цели са йонните връзки и ковалентните връзки.
Обърнете се към предишната дискусия за атомите, които имат тенденция да се отблъскват един от друг, най-вече поради взаимодействието между техните електрони. Беше отбелязано също, че подобно заредените йони се отблъскват взаимно, независимо какво. Ако обаче двойка йони имат противоположни заряди - тоест ако един атом е загубил електрон, за да поеме заряд от +1, докато друг е получил електрон, за да поеме заряд от -1 - тогава двата атома са силно привлечени от всеки друг. Нетният заряд на всеки атом заличава каквито репелентни ефекти могат да имат техните електрони и атомите са склонни да се свързват. Тъй като тези връзки са между йони, те се наричат йонни връзки. Трапезната сол, състояща се от натриев хлорид (NaCl) и получена от положително натоварен натриев атом, свързващ се с отрицателно зареден хлорен атом, за да създаде електрически неутрална молекула, илюстрира този тип връзка.
Ковалентните връзки са резултат от същите принципи, но тези връзки не са толкова силни поради наличието на малко по-балансирани конкуриращи се сили. Например вода (H2О) има две ковалентни водород-кислородни връзки. Причината тези връзки да се формират главно в това, че външните електронни орбити на атомите "искат" да се запълнят с определен брой електрони. Това число варира между отделните елементи и споделянето на електрони с други атоми е начин да се постигне това дори когато означава преодоляване на скромни репелентни ефекти. Молекулите, които включват ковалентни връзки, могат да бъдат полярни, което означава, че макар нетният им заряд да е нулев, части от молекулата носят положителен заряд, който се балансира с отрицателни заряди на друго място.
Стойности на електроотрицателност и периодичната таблица
Скалата на Полинг се използва за определяне колко електроотрицателен е даден елемент. (Тази скала получава името си от покойния учен Ланус Полинг.) Колкото по-висока е стойността, толкова по-нетърпелив е даден атом да привлече електрони към себе си в сценарии, подлагащи се на възможност за ковалентно свързване.
Елементът с най-висок ранг в тази скала е флуор, на който е присвоена стойност 4,0. Най-ниско класиране са сравнително неясните елементи цезий и франций, които се регистрират при 0.7. "Неравномерни" или полярни, ковалентни връзки възникват между елементи с големи разлики; в тези случаи споделените електрони лежат по-близо до един атом, отколкото до другия. Ако два атома на елемент се свързват един с друг, както с О2 молекула, атомите очевидно са равни в електронегативност, а електроните лежат еднакво далеч от всяко ядро. Това е неполярна връзка.
Позицията на един елемент в периодичната таблица предлага обща информация за неговата електронегативност. Стойността на електроотрицателността на елементите се увеличава отляво надясно, както и отдолу нагоре. Положението на флуор в горния десен ъгъл гарантира високата му стойност.
По-нататъшна работа: Повърхностни атоми
Както и за атомната физика като цяло, много от това, което се знае за поведението на електроните и свързването, е, докато е експериментално установено, до голяма степен теоретично на ниво отделни субатомни частици. Експериментите, за да се провери какво точно правят отделните електрони, е технически проблем, както и изолирането на отделните атоми, съдържащи тези електрони. В експериментите за тестване на електроотрицателност стойностите традиционно са получени от необходимост, усредняване на стойностите на много много отделни атоми.
През 2017 г. изследователите са успели да използват техника, наречена електронна силова микроскопия, за да изследват отделните атоми на повърхността на силиция и да измерват стойностите на тяхната електроотрицателност. Те направиха това чрез оценка на поведението на силиция с кислород, когато двата елемента бяха поставени на различни разстояния един от друг. Тъй като технологиите продължават да се усъвършенстват във физиката, знанията на човека за електроотрицателността ще процъфтяват още повече.