Elektronegatiivisuus ja hapetusluku
Elektronegatiivisuus on atomin/molekyylin taipumus vetää puoleensa elektroneja; hapetusluku on indikaattori sen sidosympäristöstä.
Oppimistavoitteet
Sääntöjen soveltaminen hapetuslukujen osoittamiseen yhdisteiden atomeille
Key Takeaways
Keskeiset huomiot
- Atomin elektronegatiivisuuteen vaikuttavat sekä alkuaineen järjestysluku että sen koko.
- Mitä korkeampi sen elektronegatiivisuus on, sitä enemmän alkuaine vetää puoleensa elektroneja.
- Korkeamman elektronegatiivisuuden omaavalle atomille, tyypillisesti ei-metalliselle alkuaineelle, annetaan negatiivinen hapetusluku, kun taas metallisille alkuaineille annetaan tyypillisesti positiivinen hapetusluku.
Keskeisiä termejä
- elektronegatiivisuus: Kemiallinen ominaisuus, joka kuvaa atomin taipumusta vetää elektroneja (tai elektronitiheyttä) puoleensa.
- hapetusluku: Hypoteettinen varaus, joka molekyylin/yhdisteen atomilla olisi, jos kaikki sidokset olisivat puhtaasti ionisia. Se kertoo atomin hapetusasteen kemiallisessa yhdisteessä.
Elektronegatiivisuus
Elektronegatiivisuus on ominaisuus, joka kuvaa atomin taipumusta vetää elektroneja (tai elektronitiheyttä) puoleensa. Atomin elektronegatiivisuuteen vaikuttavat sekä atomin järjestysluku että atomin koko. Mitä suurempi sen elektronegatiivisuus on, sitä enemmän alkuaine vetää puoleensa elektroneja. Elektronegatiivisuuden vastakohta on sähköpositiivisuus, joka on mitta alkuaineen kyvystä luovuttaa elektroneja.
Elektronegatiivisuutta ei mitata suoraan, vaan se lasketaan muiden atomin tai molekyylin ominaisuuksien kokeellisten mittausten perusteella. Laskentamenetelmiä on ehdotettu useita, ja vaikka laskettujen elektronegatiivisuusarvojen numeerisissa arvoissa voi olla pieniä eroja, kaikki menetelmät osoittavat saman jaksollisen suuntauksen alkuaineiden välillä.
Elektronegatiivisuus, sellaisena kuin se yleensä lasketaan, ei ole varsinaisesti atomin ominaisuus, vaan pikemminkin molekyylissä olevan atomin ominaisuus. Vapaan atomin ominaisuuksia ovat ionisaatioenergia ja elektroniaffiniteetti. On odotettavissa, että alkuaineen elektronegatiivisuus vaihtelee sen kemiallisessa ympäristössä, mutta sitä pidetään yleensä siirrettävänä ominaisuutena; toisin sanoen samanlaiset arvot pätevät erilaisissa tilanteissa.
Elektronegatiivisuus määräytyy yksinkertaisimmalla tasolla sellaisten tekijöiden perusteella kuin ydinvaraus ja muiden atomikuorissa olevien elektronien määrä/sijainti. Ydinvaraus on tärkeä, koska mitä enemmän atomissa on protoneja, sitä enemmän se ”vetää” negatiivisia elektroneja. Elektronien sijainnilla avaruudessa on merkitystä, koska mitä enemmän atomissa on elektroneja, sitä kauempana ytimestä valenssielektronit ovat, jolloin niiden positiivinen varaus on pienempi; tämä johtuu suuremmasta etäisyydestä ytimestä ja siitä, että muut elektronit matalaenergisemmillä ydinorbitaaleilla suojaavat valenssielektroneita positiivisesti varautuneelta ytimeltä.
Yleisimmin käytetyn elektronegatiivisuuden laskentamenetelmän ehdotti Linus Pauling. Menetelmän tuloksena saadaan dimensioton suure, jota kutsutaan yleisesti Paulingin asteikoksi ja jonka vaihteluväli on 0,7-4. Jos tarkastellaan jaksollista järjestelmää ilman inerttejä kaasuja, elektronegatiivisuus on suurimmillaan oikealla ylhäällä ja pienimmillään vasemmalla alhaalla.
Alkuaineiden elektronegatiivisuus: Elektronegatiivisuus on suurin taulukon oikeassa yläkulmassa ja pienin vasemmassa alakulmassa.
Siten fluori (F) on alkuaineista elektronegatiivisin, kun taas fransium (Fr) on vähiten elektronegatiivinen.
Hapettumisluvut
Yleisesti katsotaan, että yksi elektronegatiivisuuden arvo pätee useimpiin sidostilanteisiin, joissa tietty atomi voi olla. Vaikka tämän lähestymistavan etuna on yksinkertaisuus, on selvää, että alkuaineen elektronegatiivisuus ei ole muuttumaton atomin ominaisuus, vaan sen voidaan ajatella riippuvan alkuaineen ”hapetusluvuksi” kutsutusta suureesta.
Yksi tavaksi luonnehtia molekyylin atomeja ja pitää kirjaa elektroneista on hapetuslukujen antaminen. Hapetusluku on se sähkövaraus, joka atomilla olisi, jos sidoselektronit osoitettaisiin yksinomaan elektronegatiivisemmalle atomille, ja sen avulla voidaan tunnistaa, mikä atomi hapettuu ja mikä pelkistyy kemiallisessa prosessissa. Hapetuslukuja määritettäessä voidaan käyttää kuutta sääntöä:
- Alkuaineen hapetusluku luonnontilassaan (eli sellaisena kuin se esiintyy luonnossa) on nolla. Esimerkiksi vedyn H2:ssa, hapen O2:ssa, typen N2:ssa, hiilen timantissa jne. hapetusluku on nolla.
- Ionisissa yhdisteissä atomin ionivaraus on sen hapetusluku.
- Ionissa tai molekyylissä olevien kaikkien atomien hapetuslukujen summa on yhtä suuri kuin sen nettovaraus.
- Yhdisteissä, joissa on muita kuin metalleja, vedyn hapetusluku on +1. Kun vety kuitenkin sitoutuu metalliin, sen hapetusluku pienenee -1:een, koska metalli on sähköpositiivisempi eli vähemmän elektronegatiivinen alkuaine.
- Hapelle annetaan useimmissa yhdisteissä hapetusluku -2. On kuitenkin tiettyjä poikkeuksia. Peroksideissa (O22-), kuten vetyperoksidissa (H2O2), hapen hapetusluku on -1. Happidifluoridissa (OF2) hapen hapetusluku on +2, kun taas dihappidifluoridissa (O2F2) hapen hapetusluku on +1, koska fluori on näissä yhdisteissä elektronegatiivisempi alkuaine, joten sen hapetusluku on -1. Hapen hapetusluku on +2.
- Elektronegatiivisempi atomi, tyypillisesti ei-metallinen alkuaine, saa negatiivisen hapetusluvun, kun taas toinen atomi, joka on usein mutta ei välttämättä metallinen alkuaine, saa positiivisen hapetusluvun
.