3.7: Електронегативність та полярний ковалентний зв'язок

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18147

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Якби ми побудували діаграму Льюїса для молекулярного водню (H ₂), ми б з'єднали одиничні валентні електрони на кожному атомі, щоб створити єдиний ковалентний зв'язок. Кожен водень тепер мав би два електрони у своїй валентній оболонці, ідентичні гелію. Математичні рівняння, які хіміки використовують для опису ковалентного зв'язку, можуть бути вирішені для прогнозування областей простору, що оточують молекулу, в яких ці електрони, ймовірно, будуть знайдені. Особливо корисне застосування цих розрахунків генерує молекулярну поверхню, яка кодується кольором, щоб показати електронну щільність, що оточує молекулу. Цей тип молекулярної поверхні називається картою електростатичного потенціалу. Коли цей тип розрахунку робиться для молекул, що складаються з двох (або більше) різних атомів, результати можуть бути разюче різними. Розглянемо молекулу HF. Водень з одним валентним електроном може ділити цей електрон з фтором (з сімома валентними електронами), утворюючи єдиний ковалентний зв'язок.

На цій карті електростатичного потенціалу синій використовується для позначення низької щільності електронів (відносний позитивний заряд), а червоний вказує на високу щільність електронів (відносний негативний заряд); кольори світло-блакитного, зеленого, жовтого та оранжевого вказують на зростаючий градієнт заряду. Молекула HF явно дуже полярна, що означає, що значна різниця в електронній щільності існує по всій довжині молекули. Карта електростатичного потенціалу для ВЧ значно контрастує з картою для Н ₂, де заряд був досить симетричним (рівномірний зелений колір). Фторид водню (HF) можна охарактеризувати як дуже полярну молекулу, тоді як водень (H ₂) неполярний.

Походження поляризації ВЧ ковалентного зв'язку пов'язане з електронегативністю, властивою всім атомам. У межах періодичної таблиці існує тенденція до того, щоб атоми притягували електрони до себе, коли вони пов'язані з іншим атомом (як у ВЧ). Атоми, які мають тенденцію сильно притягувати електрони, мають високу електронегативність, щодо атомів, які мають відносно низьку тенденцію притягувати електрони до себе. Сучасна шкала електронегативності була розроблена Лінусом Полінгом в 1932 році, і за шкалою Паулінга атоми в періодичній таблиці змінюються в електронегативності від низької 0,8 для цезію до максимуму 4,0 для фтору.

У молекулі HF електронегативність водню становить 2,2, а фтору - 4,0. Ця різниця призводить до глибокої поляризації ВЧ ковалентного зв'язку, яка очевидна на карті електростатичних потенціалів.

Поляризації ковалентних зв'язків відбуваються і в більш складних молекулах. У воді кисень має електронегативність 3,5; водень - 2,2. Через це кожна з H-O зв'язків поляризується з більшою щільністю електронів по відношенню до кисню. Усередині молекули H ₂ O ефект цієї поляризації стає очевидним на карті електростатичного потенціалу, як показано на малюнку 3.18. Кінець молекули з киснем має високу електронну щільність, а кінці водню мають дефіцит електронів. У наступних розділах ми побачимо, що поляризація води, викликана різницею в електронегативності, надає воді особливі властивості, які дозволяють їй розчиняти іонні сполуки і в основному підтримувати життя таким, яким ми його знаємо. В рамках органічної хімії (вивчення вуглецевмісних молекулярних сполук) ви оціните, що відносна реакційна здатність органічних молекул один з одним багато в чому залежить від поляризації ковалентних зв'язків в цих молекулах.