Убывание электроотрицательности. Электроотрицательность. Относительная электроотрицательность. Полярность химической связи, полярность молекул и ионов

Электроотрицательность (ЭО) — это способность атомов притягивать электроны при связывании с другими атомами.

Электроотрицательность зависит от расстояния между ядром и валентными электронами, и от того, насколько валентная оболочка близка к завершенной. Чем меньше радиус атома и чем больше валентных электронов, тем выше его ЭО.

Фтор является самым электроотрицательным элементом. Во-первых, он имеет на валентной оболочке 7 электронов (до октета недостает всего 1-го электрона) и, во-вторых, эта валентная оболочка (…2s 2 2p 5) расположена близко к ядру.

Менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Они имеют большие радиусы и их внешние электронные оболочки далеки от завершения. Им гораздо проще отдать свои валентные электроны другому атому (тогда предвнешняя оболочка станет завершенной), чем «добирать» электроны.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют шкалу электроотрицательностей, предложенную американским химиком Л. Полингом.

Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX ) позволит судить о типе химической связи. Если величина Δ X = 0 – связь ковалентная неполярная .

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной , например: связь H-F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 — 2,20) = 1,78

Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными . Например: связь Na-Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 — 0,93) = 2,23.

Степень окисления

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

При образовании ионной связи происходит переход электрона от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному, атомы теряет свою электронейтральность, превращается в ионы. возникают целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи электрон переходит не полностью, а частично, поэтому возникают частичные заряды (на рисунке ниже HCl). Представим, что электрон перешел полностью от атома водорода к хлору, и на водороде возник целый положительный заряд +1, а на хлоре -1. такие условные заряды и называют степенью окисления.

На этом рисунке изображены степени окисления, характерные для первых 20 элементов.
Обратите внимание. Высшая СО как правило равна номеру группы в таблице Менделеева. У металлов главных подгрупп – одна характерная СО, у неметаллов, как правило, наблюдается разброс СО. Поэтому неметаллы образуют большое количество соединений и обладают более «разнообразными» свойствами, по сравнению с металлами.

Примеры определения степени окисления

Определим степени окисления хлора в соединениях:

Те правила, которые мы рассмотрели не всегда позволяют рассчитать СО всех элементов, как например в данной молекуле аминопропана.

Здесь удобно пользоваться следующим приемом:

1)Изображаем структурную формулу молекулы, черточка – это связь, пара электронов.

2) Черточку превращаем в стрелку, направленную к более ЭО атому. Эта стрелка символизирует переход электрона к атому. Если связаны два одинаковых атома, оставляем черту как есть – нет перехода электронов.

3) Считаем сколько электронов «пришло» и «ушло».

Например, посчитаем заряд первого атома углерода. Три стрелки направленны к атому, значит, 3 электрона пришло, заряд -3.

Второй атом углерода: водород отдал ему электрон, а азот забрал один электрон. Заряд не поменялся, равен нулю. И т.д.

Валентность

Вале́нтность (от лат. valēns «имеющий силу») - способность атомов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

В основном, под валентностью понимается способность атомов к образованию определённого числа ковалентных связей . Если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами, т.е. его валентность будет равна n + m . При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации «возбуждённого» состояния. Например, максимальная валентность атома бериллия, бора и азота равна 4 (например, в Be(OH) 4 2- , BF 4 — и NH 4 +), фосфора - 5 (PCl 5), серы - 6 (H 2 SO 4), хлора - 7 (Cl 2 O 7).

В ряде случаев, валентность может численно совпадать со степенью окисления, но ни коим образом они не тождественны друг другу. Например, в молекулах N 2 и CO реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления азота равна 0, углерода +2, кислорода −2.

В сложных соединениях, состоящих из атомов разных элементов, электронная плотность всегда будет смещена к одному, самому «сильному» соседу. Например, в молекуле воды (Н 2 О) победителем будет кислород, а в соляной кислоте (HCl) поединок выиграет атом хлора. Как же научиться определять эту силу? Для этого достаточно разобрать, что такое электроотрицательность. Приступим.

Атомы и элементы

Первое, что требуется освоить, это разница между атомом и элементом. Допустим, в молекуле HNO 3 целых пять атомов и только три элемента, коими являются водород (Н), азот (N) и кислород (О). Если название какого-то значка или символа стерлось из памяти, то на помощь придет периодическая система Менделеева.

В ней как раз и перечислены все существующие на сегодняшний день элементы. Итак, первая трудность преодолена. Подойдем поближе к вопросу, что такое электроотрицательность.

Шкала Полинга

В школах и вузах для выявления того самого наиболее сильного атома, который оттянет на себя электронную плотность более слабых «соседей», будет достаточно шкалы Полинга. Пугаться не стоит. Здесь всё предельно просто. Относительная электроотрицательность химических элементов расставлена в порядке возрастания и варьируется в интервале 0,7-4,0. Логика тут ясна: у кого данная величина больше, тот и сильнее.

Значение «0,7» принадлежит самому активному металлу - францию. Здесь он проигрывает абсолютно всем, то есть он наименее электроотрицателен (наиболее электроположителен). Максимальным значением, равным четырем, может похвастаться фтор. А потому ему нет равных по силе.

Даже особо не разбираясь, что такое электроотрицательность, в любом сложном фторсодержащем соединении можно сразу определить победителя. Кто оттянет на себя электронную плотность во фториде лития (LiF)? Конечно, фтор. Какой элемент более электроотрицателен в молекуле тетрафторида кремния (SiF 4)? Конечно же, снова фтор.

Закрепляем пройденное

Итак, разобрав, что такое электроотрицательность, подкрепим теорию примерами. Научимся выявлять самый сильный элемент из присутствующих в соединении. Возьмем молекулу серной кислоты (H 2 SO 4). Воспользовавшись шкалой Полинга, определим относительные электроотрицательности всех трех требуемых элементов. У водорода она составит 2,1. Значение для серы несколько выше - 2,6. Но явным лидером будет кислород, имеющий максимальный показатель, равный 3,5. Значит, наиболее электроотрицательным элементом в молекуле H 2 SO 4 будет именно кислород. Таким образом, возможно определить значение электроотрицательности любого элемента.

Удобной величиной для характеристики способности атома элемента притягивать к себе общие электроны в молекуле яв­ляется электроотрицательность.

Относительной электроотрицательностью СОЭО)

атома элемента называют величину, характеризующую относительную способность атома элемента притяги­вать к себе общие электроны в молекуле.

За единицу 0Э0 принята электроотрицательность атома ли­тия, у фтора этот показатель равен 4,0. Относительно данных ве­личин рассматриваются электроотрицательности остальных элементов (табл. 1.3).

У элементов в пределах периода с увеличением заряда атом­ного ядра наблюдается увеличение ОЭО: наименьшие значения характерны для элементов группы I A, т. е. щелочных метал­лов, а наибольшие - для галогенов, элементов группы VIIA. В соответствии с этим элементы становятся все более слабыми восстановителями и все более сильными окислителями. Самые сильные окислители в периоде - элементы группы VII A.

Внутри группы электроотрицательность элементов уменьша­ется сверху вниз. Чем выше электроотрицательность, тем сильнее выражены у элемента неметаллические свойства и окислитель­ная способность, а при малой электроотрицательности элемент обладает металлическими свойствами и высокой восстановитель­ной способностью. Таким образом, самым сильным окислителем является фтор 9 F (группа VIIA), а самым сильным восстановителем - франций 87 Fr (группа IA). Разность ОЭО соседних ато­мов в соединениях позволяет судить о полярности химической связи между ними (см. разд. 2.1.3).

Периодичность в свойствах элементов, связанная с изменени­ем строения электронных оболочек при возрастании заряда ядра их атомов, наблюдается и для однотипных соединений. В периоде слева направо основные свойства оксидов и гидроксидов групп IA, 2А постепенно сменяются амфотерными и для соединений элементов групп VA-VIIA становятся кислотными. В группах А, кроме VIII, сверху вниз усиливается основный характер ок­сидов и гидроксидов, а их кислотные свойства ослабевают. На­пример: CsOH - более сильное основание, чем LiOH, а кислота НР0 3 значительно слабее, чем HN0 3 . В то же время для вод­ных растворов бинарных соединений неметаллов с водородом типа HF, НСl, НВг, HI или Н 2 0, H 2 S, H 2 Se, Н 2 Те кислотные свойства возрастают от HF к HI, а также от Н 2 0 к Н 2 Те.

Для оксидов и гидроксидов элементов, ОЭО которых нахо­дится в интервале 1,5-2,2, обычно характерны амфотерные свойства, при этом чем меньше значение ОЭО, тем больше про­являются основные свойства их оксидов и гидроксидов. По ме­ре увеличения ОЭО элементов возрастает кислотность их окси­дов и гидроксидов. Для галлия 31 Ga (ОЭО = 1,82) кислотные и основные свойства его оксида Ga 2 0 3 и гидроксида Ga(OH) 3 вы­ражены в одинаковой степени.

Глава 2 ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

После изучения этой главы вы должны:

- понимать природу и знать характерные свойства ковалентной, ионной и металлической связи;

- знать основные типы молекулярных ореиталей:

- механизмы возникновения ковалентныхсвязей;

- особенности ковалентной связи (краткость, насыщаемость, направленность, сопряжение связей, полярнссть, поляризуемость);

- иметь представление о влиянии, которое оказывает гибриди­зация атомных орбиталей на пространственную структуру молекул и ионов;

- знать, в каких системах имеет место сопряжение связей, что такое ароматические соединения;

- иметь понятие о поляризуемости атомов, молекул и ионов и подразделении их на "жесткие" и "мягкие";

- знать особенности ионной и металлической связи.

В природе элементы в виде изолированных атомов практи­чески не встречаются. Обычно атомы элемента взаимодейству­ют либо друг с другом, либо с атомами других элементов, обра­зуя химические связи с возникновением молекул. В то же вре­мя и молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.

Химическая связь - это совокупность сил, связывающих атомы или молекулы друг с другом в новые устойчивые структуры.

Сущность природы химической связи была объяснена лишь после открытия законов квантововолновой механики, управ­ляющих микромиром. Современная теория отвечает на вопросы: почему возникает химическая связь и какова природа сил, обусловливающих ее?

Возникновение химических связей - процесс самопроиз­вольный, в противном случае в природе не существовало бы сложных молекул белков и нуклеиновых кислот. С точки зре­ния термодинамики (разд. 4.3, 4.4) причиной образования хи­мической связи между частицами является уменьшение энер­гии системы. Следовательно, образование химической связи всегда сопровождается выделением энергии, а разрыв химиче­ской связи всегда требует затраты энергии.

Энергия связи - энергия, выделяющаяся в процессе обра­зования связи и характеризующая прочность этой связи (Е св, кДж/моль).

В зависимости от типа соединяемых частиц различают внут­римолекулярные связи, за счет которых образуются молекулы, и межмолекулярные связи, приводящие к образованию ассоциатов из молекул или к связыванию отдельных групп в молекуле биополимера, что обеспечивает ее конформацию (разд. 3.1). Эти виды связей резко отличаются по величине энергии: для внутримолеку­лярных связей энергия составляет 100-1000 кДж/моль, а энергия межмолекулярных связей обычно не превышает 40 кДж/моль. Рассмотрим образование и типы внутримолекулярной химиче­ской связи.

Согласно современным представлениям при сближении атомов между их внешними электронами с противоположными спинами происходит сильное обменное взаимодействие, приводящее к по­явлению общей электронной пары. При этом возрастает элек­тронная плотность в межъядерном пространстве, что способст­вует притяжению ядер взаимодействующих атомов (см. рис. на стр. 31). В результате энергия системы уменьшается и между атомами возникает химическая связь. В зависимости от того, каким образом взаимодействует общая электронная пара с ядра­ми соединяемых атомов, различают три вида химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Классификация химических связей

Глава 3. Химическая связь

Вопросы для самопроверки

1. Что такое преобразование суждения?

2. Чем отличается обращение суждения от превращения суждения?

3. Каким принципам подчиняется истинность (ложность) суждения?

4. Какую функцию выполняет таблица истинности (ложности) суждения?

Упражнения

Преобразуйте суждения, используя правила превращения, обращения и противопоставление предикату.

1) Некоторые студенты неуспевающие. 2) Все лесные делянки зачищены. 3) Ни одна буровая не простаивала в этом году. 4) Среди студентов есть спортсмены. 5) Трудности его не страшат.

Пример: Все металлы – электропроводны. Ни один металл не является неэлектропроводным; (превращение).

Все студенты – учащиеся. Некоторые учащиеся – студенты; (обращение).

Все студенты – учащиеся. Некоторые учащиеся – не являются студентами; (противопоставление предикату).

Одним из наиболее важных вопросов химии является вопрос химической связи, требующий объяснения причин и выявления закономерностей образования связей между атомами, ионами, молекулами на основе теории строения атома и периодического закона Д.И.Менделеева, а также характеристики этих связей посредством интерпретации физических и химических свойств веществ. В настоящее время для изучения химической связи в основном используют два метода:
1) валентных связей;
2) молекулярных орбиталей.
В рамках первого метода рассматривают индивидуальные атомы, вступающие во взаимодействие, исходя из принципа завершенности электронной оболочки (правило октета). Ковалентная связь с точки зрения метода валентных связей образуется за счет обобществления электронной пары.
Простой метод валентных связей для химика наиболее понятен, удобен и нагляден, лучше всего отвечает целям первичного обучения. Недостаток метода валентных связей состоит в том, что в его рамках нельзя объяснить некоторые экспериментальные данные.
Большей эффективностью обладает метод молекулярных орбиталей, в котором рассматриваются электроны, находящиеся в поле притяжения, созданном всеми атомными ядрами молекулы. С точки зрения метода молекулярных орбиталей в молекуле нет атомов как таковых, а есть взаимно отталкивающиеся ядра и взаимодействующие с ними и между собой электроны. Метод молекулярных орбиталей позволяет полнее объяснить экспериментальные данные.
При характеристике химической связи обычно пользуются такими понятиями, как «валентность», «степень окисления» и «кратность связи».
Валентность – способность атома химического элемента к образованию связи с другими атомами. За величину валентности принимают для ионных соединений количество отданных или принятых электронов. Для ковалентных соединений валентность равна числу обобществленных электронных пар.
Степень окисления – это условный заряд, который был бы на атоме в том случае, когда все полярные ковалентные связи были бы ионными.
Кратность связи между данными атомами равна числу их обобществленных электронных пар.
Все связи, рассматриваемые в химии, можно разделить на связи, приводящие к образованию новых веществ, и межмолекулярные связи .
Связи, приводящие к образованию новых веществ, возникают в результате спаривания электронов. Спаренные электроны находятся в поле притяжения всех ядер молекул. Такое перераспределение электронной плотности дает выигрыш в энергии в сравнении с несвязанными атомами. Именно наличием этого выигрыша и обусловлено образование химической связи. В зависимости от способа перераспределения электронов выделяют связи ковалентные, ионные и металлические . По наличию или отсутствию поляризации ковалентные связи делят на полярные – между атомами разных элементов – и неполярные – между атомами одного элемента. По способу образования ковалентные связи разделяют на обычные , донорно-акцепторные и дативные .

Характеристику связи между атомами можно давать на основе электроотрицательности.
Электроотрицательность – способность атома, связанного с другим атомом, притягивать к себе электронное облако, вызывая тем самым поляризацию связи. Используют различные количественные оценки электроотрицательности атома, например полусумму его сродства к электрону и потенциала ионизации (метод Малликена) (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Относительные электроотрицательности атомов в виде
полусуммы сродства к электрону и потенциала ионизации

Период	Группы элементов
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
	Н 2,1							He
	Li 0,97	Be 1,47	B 2,01	C 2,50	N 3,07	O 3,50	F 4,10	Ne
	Na 1,01	Mg 1,23	Al 1,47	Si 1,47	P 2,1	S 2,6	Cl 2,83	Ar
	K 0,91	Ca 1,04	Sc 1,20	Ti 1,32	V 1,45	Cr 1,56	Mn 1,60	Fe 1,64 Co 1,70 Ni 1,75
	Cu 1,75 Rb 0,89	Zn 1,66 Sr 0,99	Ga 1,82	Ge 2,02	As 2,20	Se 2,48	Br 2,74	Kr

Существуют и другие подходы к определению электроотрицательности. Так, первой и наиболее известной является шкала Л.Полинга, полученная из термохимических данных и предложенная в 1932 г. За начало отсчета в этой шкале произвольно принята величина электроотрицательности наиболее электроотрицательного элемента фтора, (F) = 4,0 (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Электроотрицательности атомов
в стабильных степенях окисления по Полингу

Период	Группы элементов
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
	Н 2,1							He
	Li 1,0	Be 1,5	B 2,0	C 2,5	N 3,0	O 3,5	F 4,0	Ne
	Na 0,9	Mg 1,2	Al 1,5	Si 1,8	P 2,1	S 2,5	Cl 3,0	Ar
	K 0,8	Ca 1,0	Sc 1,3	Ti 1,5	V 1,6	Cr 1,6	Mn 1,5	Fe 1,8 Co 1,8 Ni 1,8
	Cu 1,9 Rb 0,8	Zn 1,6 Sr 1,0	Ga 1,6	Ge 1,8	As 2,0	Se 2,4	Br 2,8	Kr

Электроотрицательность элементов периодической системы, как правило, последовательно возрастает слева направо в каждом периоде. В пределах каждой группы, за несколькими исключениями, электроотрицательность последовательно убывает сверху вниз. С помощью электроотрицательностей можно охарактеризовать химическую связь. Чем больше разница электроотрицательностей атомов, образующих химическую связь, тем больше степень ионности этой связи. Связи при разности электроотрицательностей атомов больше 2,1 могут считаться чисто ионными (по данным других научных источников, 50%-й ионности связи соответствует разность электроотрицательностей атомов, равная 1,7).
Связи с меньшей разностью электроотрицательностей атомов относят к полярным ковалентным связям. Чем меньше разность электроотрицательностей атомов, образующих химическую связь, тем меньше степень ионности этой связи. Нулевая разность электроотрицательностей атомов указывает на отсутствие ионного характера у образованной ими связи, т. е. на ее сугубую ковалентность.
Электроотрицательность атома, по-видимому, зависит и от степени его окисления. Так, для трех оксидов хрома:, , – наблюдается изменение их характера от основного (CrO) через амфотерный (Сr 2 O 3) до кислотного (СrO 3). Один и тот же элемент – хром – в СrO ведет себя как типичный металл, в Сr 2 O 3 – как амфотерный металл, а в СrO 3 – как типичный неметалл.
При составлении химических формул соединений следует учитывать, что более электроотрицательные элементы помещаются правее, например, H 2 S, OF 2 , SCl 2 O, Br 3 N, SiBr 2 F 2 .

При взаимодействии элементов образуются электронные пары за счёт принятия или отдачи электронов. Способность атома оттягивать электроны была названа Лайнусом Полингом электроотрицательностью химических элементов. Полинг составил шкалу электроотрицательности элементов от 0,7 до 4.

Что такое электроотрицательность?

Электроотрицательность (ЭО) - количественная характеристика элемента, показывающая, с какой силой притягиваются электроны ядром атома. ЭО также характеризует способность удерживать валентные электроны на внешнем энергетическом уровне.

Рис. 1. Строение атома.

Возможность отдавать или принимать электроны определяет принадлежность элементов к металлам или неметаллам. Ярко выраженными металлическими свойствами обладают элементы, легко отдающие электроны. Элементы, принимающие электроны проявляют неметаллические свойства.

Электроотрицательность проявляется в химических соединениях и показывает смещение электронов в сторону одного из элементов.

Электроотрицательность увеличивается слева направо и уменьшается сверху вниз в периодической таблице Менделеева.

Как определить

Определить значение можно с помощью таблицы электроотрицательности химических элементов или шкалы Полинга. За единицу принята электроотрицательность лития.

Наибольшей ЭО обладают окислители и галогены. Значение их электроотрицательности больше двух. Рекордсменом является фтор с электроотрицательностью 4.

Рис. 2. Таблица электроотрицательности.

Наименьшую ЭО (меньше двух) имеют металлы первой группы периодической таблицы. Активными металлами считаются натрий, литий, калий, т.к. им легче расстаться с единственным валентным электроном, чем принять недостающие электроны.

Некоторые элементы занимают промежуточное положение. Их электроотрицательность близка к двум. Такие элементы (Si, B, As, Ge, Te) проявляют металлические и неметаллические свойства.

Для удобства сравнения ЭО используется ряд электроотрицательности элементов. Слева располагаются металлы, справа - неметаллы. Чем ближе к краям, тем активнее элемент. Самый сильным восстановителем, легко отдающим электроны и имеющим наименьшую электроотрицательность, является цезий. Активным окислителем, способным притягивать электроны, является фтор.

Рис. 3. Ряд электроотрицательности.

В неметаллических соединениях притягивают электроны элементы с большей ЭО. Кислород с электроотрицательностью 3,5 притягивает атомы углерода и серы с электроотрицательностью 2,5.

Что мы узнали?

Электроотрицательность показывает степень удержания ядром атома валентных электронов. В зависимости от значения ЭО элементы способны отдавать или принимать электроны. Элементы с большей электроотрицательностью оттягивают электроны и проявляют неметаллические свойства. Элементы, атомы которых легко отдают электроны, обладают металлическими свойствами. Некоторые элементы имеют условно нейтральную ЭО (около двух) и могут проявлять металлические и неметаллические свойства. Степень ЭО увеличивается слева направо и снизу вверх в таблице Менделеева.