Электроотрицательность химических элементов: как ее определить и рассчитать
Электроотрицательность - одна из важнейших характеристик химических элементов. Она показывает, насколько сильно атомы и ионы притягивают к себе электроны при образовании химических связей.
Определение электроотрицательности и ее физический смысл
Термин "электроотрицательность" в 1932 году предложил американский химик Лайнус Полинг. Он дал следующее определение:
Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны при образовании ковалентной химической связи.
Чем выше электроотрицательность элемента, тем сильнее его атомы удерживают у себя электроны. Электроотрицательность количественно выражает такую способность атомов и показывает степень их "электронного голода".
Не стоит путать электроотрицательность со степенью окисления. Эти понятия взаимосвязаны, но имеют различия:
- Электроотрицательность - характеристика самого элемента, не меняется;
- Степень окисления - характеристика атома элемента в конкретном соединении, может меняться.
Величина электроотрицательности тесно связана с окислительно-восстановительными свойствами элементов. Элементы с высокой электроотрицательностью являются сильными окислителями, а элементы с низкой - восстановителями.
Методы определения и шкалы электроотрицательности
Существуют различные экспериментальные и теоретические методы определения электроотрицательности элементов, в том числе:
- Анализ энергии связей в химических соединениях;
- Изучение теплот образования соединений;
- Квантово-химические расчеты свойств атомов и молекул.
Наиболее часто используется шкала электроотрицательности Полинга. В ней все значения приводятся относительно электроотрицательности лития, принятой за единицу. По этой шкале самый электроотрицательный элемент - фтор с величиной 3,98.
Другие известные шкалы электроотрицательности:
- Шкала Малликена - основана на средней энергии ионизации атома;
- Шкала Олреда-Рохова - учитывает электростатическое взаимодействие валентных электронов с ядром;
- Шкала Оганова - включает поправку на ионную стабилизацию молекул.
По формуле Оганова электроотрицательность атома A рассчитывается следующим образом:
Здесь χ A - электроотрицательность атома A, IP - энергия ионизации атома, EA - сродство к электрону, α - поправка на ионную стабилизацию.
Закономерности изменения электроотрицательности в таблице Менделеева
В периодической системе химических элементов существует определенная закономерность изменения электроотрицательности. Она увеличивается слева направо по периодам и уменьшается сверху вниз по группам, как показано на схеме:
Темные клетки на схеме соответствуют наиболее электроотрицательным элементам - фтору, кислороду и другим. Светлые клетки - наименее электроотрицательные элементы, например щелочные металлы.
Некоторые элементы занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Их электроотрицательность близка к 2. Это, например, кремний, мышьяк, теллур.
Влияние электроотрицательности на свойства веществ
Зная электроотрицательность элементов, можно объяснить и даже предсказать свойства образуемых ими соединений. Например, по значению электроотрицательности определяют тип химической связи в соединениях.
Если разница электроотрицательностей атомов велика - более 1,7, - то образуется ионная связь. Так происходит, к примеру, в хлориде натрия NaCl. Атом хлора сильно притягивает к себе электрон натрия, в результате образуются ионы Cl- и Na+.
При небольшой разнице электроотрицательностей (менее 1,7) возникает ковалентная связь, основанная на совместном использовании электронов атомами.
Использование электроотрицательности для предсказания ОВР
Очень важно, что зная электроотрицательность реагентов, можно теоретически предсказать направление окислительно-восстановительных реакций (ОВР).
Элемент с бóльшей электроотрицательностью выступает в роли окислителя, отбирая электроны. Элемент с меньшей электроотрицательностью отдает электроны и является восстановителем.
Так, в реакции цинка с серой:
Zn + S = ZnS
Сера имеет электроотрицательность 2,58, а цинк - 1,65. Значит, сера - окислитель, а цинк - восстановитель. Сера притягивает к себе электроны цинка с образованием сульфида цинка ZnS.
Как определить электроотрицательность на практике
Для практического определения электроотрицательности элемента используют специальные таблицы электроотрицательности. Наиболее удобная - шкала Полинга.
Например, для атома марганца требуется заглянуть в таблицу Полинга и найти значение его электроотрицательности. Она равна 1,55.
Если значения для какого-то элемента нет в таблице, можно воспользоваться формулой Оганова и рассчитать электроотрицательность, зная энергию ионизации и сродство к электрону этого элемента.
Применение электроотрицательности на практике
Знание электроотрицательности элементов имеет большое практическое значение. Определив электроотрицательность реагирующих веществ, можно объяснить наблюдаемые явления и даже предсказать свойства ранее не изученных соединений, не прибегая к дорогостоящему синтезу и анализу.
Благодаря простому сравнению электроотрицательностей удается понять и спрогнозировать:
- Тип химической связи в соединениях;
- Направление протекания ОВР;
- Кислотно-основные свойства веществ;
- Растворимость солей в воде и других растворителях.
Умение быстро определять электроотрицательность - обязательный навык для каждого химика. Это поможет глубже понимать суть химических процессов и грамотно подходить к решению практических задач химии.
Ошибки при определении электроотрицательности
Несмотря на кажущуюся простоту, на практике часто допускаются ошибки при определении электроотрицательности элементов. Рассмотрим типичные случаи.
Путаница со степенью окисления
Нередко путают понятия "электроотрицательность" и "степень окисления". Напомним, что электроотрицательность - постоянная величина для каждого элемента. А степень окисления зависит от соединения и может меняться.
Игнорирование факторов влияния
Следует учитывать, что на значение электроотрицательности влияют различные факторы: валентность, координационное число, тип связи. Поэтому при сравнении элементов нужно рассматривать близкие условия.
Неправильный выбор шкалы
Существует несколько шкал электроотрицательности, дающих разные значения. Часто для бытовых целей используют шкалу Полинга, а для точных расчетов - формулу Оганова.
Способы повышения точности определения электроотрицательности
Для более точного определения электроотрицательности рекомендуется:
- Удостовериться, что правильно понимаешь это понятие, не путаешь со схожими терминами;
- Учитывать факторы, влияющие на величину электроотрицательности;
- Выбирать подходящую шкалу электроотрицательностей;
- При сомнениях проверить значения в нескольких источниках.
Перспективы совершенствования теории электроотрицательности
Несмотря на достигнутые успехи, теория электроотрицательности не стоит на месте и продолжает развиваться. Ученые работают над созданием более точных методов расчета с применением квантовой химии. Активно обсуждается вопрос перехода к орбитальной электроотрицательности, учитывающей особенности атомных орбиталей.
Влияние условий на электроотрицательность
При определении электроотрицательности важно понимать, что она может меняться в зависимости от условий.
Электроотрицательность при высоких давлениях
Ученые выяснили, что с ростом давления электроотрицательность большинства элементов возрастает. Это связано с уменьшением размеров атомов и более сильным удержанием электронов.
При давлении в 2 млн атмосфер электроотрицательность золота увеличивается на 0,23, серебра - на 0,15. Другие элементы меняют свою электроотрицательность в меньшей степени.
Температурное влияние
С повышением температуры кинетическая энергия атомов возрастает и они слабее удерживают валентные электроны. Соответственно, электроотрицательность уменьшается.
Нагревание до 100-200°С приводит к заметному снижению электроотрицательности галогенов, галогеноводородов и некоторых других соединений.
Влияние аллотропных модификаций
Разные аллотропные формы одного и того же элемента могут иметь неодинаковую электроотрицательность. К примеру, у алмаза она выше, чем у графита, за счет большей энергии связей атомов углерода.
Такие нюансы необходимо учитывать при определении электроотрицательности, особенно если сравниваются аллотропные модификации элементов.
Определение электроотрицательности теоретическими методами
Помимо использования справочных данных, электроотрицательность можно рассчитать теоретически, если нет информации в литературе для какого-либо соединения.
Квантово-химические расчеты
Современные программы квантовой химии позволяют моделировать строение и свойства веществ. Задав параметры атомов и их взаимного расположения, можно определить электроотрицательность виртуальных соединений.
Расчет по энергетическим характеристикам атомов
Если известны значения энергии ионизации, сродства к электрону и другие данные об атоме, то по формуле Оганова либо аналогичным уравнениям можно вычислить электроотрицательность.
Ограничения теоретических методов расчета
При всей точности компьютерного моделирования и теоретических расчетов, они не могут полностью заменить эксперимент по определению электроотрицательности. Важно сочетание обоих подходов для достижения надежных и валидных результатов.