Elektronegativitet och oxidationstal

Elektronegativitet är en atoms/molekyls benägenhet att dra till sig elektroner, medan oxidationstalet är en indikator på dess bindningsmiljö.

Elektronegativitet

Elektronegativitet är en egenskap som beskriver en atoms tendens att dra till sig elektroner (eller elektrontäthet). En atoms elektronegativitet påverkas både av atomnumret och av atomens storlek. Ju högre dess elektronegativitet är, desto mer drar ett grundämne till sig elektroner. Motsatsen till elektronegativitet är elektropositivitet, som är ett mått på ett grundämnes förmåga att avge elektroner.

Elektronegativitet mäts inte direkt, utan beräknas i stället utifrån experimentella mätningar av andra atomära eller molekylära egenskaper. Flera beräkningsmetoder har föreslagits, och även om det kan finnas små skillnader i de numeriska värdena för de beräknade elektronegativitetsvärdena visar alla metoder samma periodiska trend bland grundämnena.

Elektronegativitet, som den vanligtvis beräknas, är inte strikt en egenskap hos en atom, utan snarare en egenskap hos en atom i en molekyl. Egenskaper hos en fri atom är bland annat joniseringsenergi och elektronaffinitet. Man förväntar sig att elektronegativiteten hos ett grundämne kommer att variera med dess kemiska miljö, men den anses vanligen vara en överförbar egenskap; det vill säga liknande värden kommer att gälla i en mängd olika situationer.

På den mest grundläggande nivån bestäms elektronegativiteten av faktorer som kärnladdningen och antalet/placeringen av andra elektroner som finns i atomhöljen. Kärnladdningen är viktig eftersom ju fler protoner en atom har, desto större ”dragningskraft” har den på negativa elektroner. Var elektronerna befinner sig i rummet är en bidragande faktor eftersom ju fler elektroner en atom har, desto längre bort från kärnan kommer valenceelektronerna att befinna sig, och som ett resultat kommer de att uppleva mindre positiv laddning; detta beror på deras ökade avstånd från kärnan, och på att de andra elektronerna i de lågenergiska kärnorbitalerna kommer att verka för att skydda valenceelektronerna från den positivt laddade kärnan.

Den vanligaste metoden för beräkning av elektroneegativitet föreslogs av Linus Pauling. Denna metod ger en dimensionslös storhet, vanligen kallad Paulingskalan, med ett intervall från 0,7 till 4. Om vi tittar på det periodiska systemet utan de inerta gaserna är elektronegativiteten störst uppe till höger och lägst nere till vänster.

Elektronegativitet hos grundämnena: Elektronegativiteten är störst uppe till höger i tabellen och lägst nere till vänster.

Härav följer att fluor (F) är det mest elektronegativa av grundämnena, medan francium (Fr) är det minst elektronegativa.

Oxidationstal

Det är vanligt att betrakta ett enda värde för elektronegativitet som giltigt för de flesta bindningssituationer som en viss atom kan befinna sig i. Även om detta tillvägagångssätt har fördelen av enkelhet är det uppenbart att elektronegativiteten hos ett grundämne inte är en oföränderlig atomär egenskap; snarare kan man tänka sig att den beror på en kvantitet som kallas ”oxidationstalet” hos grundämnet.

Ett sätt att karakterisera atomer i en molekyl och hålla reda på elektroner är genom att tilldela oxidationstal. Oxidationstalet är den elektriska laddning som en atom skulle ha om bindningselektronerna enbart tilldelades den mer elektronegativa atomen, och det kan identifiera vilken atom som oxideras och vilken som reduceras i en kemisk process. Sex regler kan användas när man tilldelar oxidationstal:

1. Oxidationstalet för ett grundämne i sitt naturliga tillstånd (dvs. hur det finns i naturen) är noll. Till exempel har väte i H2, syre i O2, kväve i N2, kol i diamant etc. oxidationstal noll.
2. I jonföreningar är atomens jonladdning dess oxidationstal.
3. Summan av oxidationstalen för alla atomer i en jon eller molekyl är lika med dess nettoladdning.
4. I föreningar med icke-metaller är väteoxidationstalet +1. När väte är bundet till en metall minskar dock dess oxidationstal till -1 eftersom metallen är ett mer elektropositivt, eller mindre elektronegativt, grundämne.
5. Syran tilldelas ett oxidationstal på -2 i de flesta föreningar. Det finns dock vissa undantag. I peroxider (O22-), såsom väteperoxid (H2O2), är syrets oxidationstal -1. I syrendifluorid (OF2) är syrets oxidationstal +2, medan syret i dioxiddifluorid (O2F2) tilldelas oxidationstalet +1 eftersom fluor är det mer elektronegativa grundämnet i dessa föreningar, varför det tilldelas oxidationstalet -1.
6. Atomen med högre elektronegativitet, vanligtvis ett icke-metalliskt grundämne, tilldelas ett negativt oxidationstal, medan den andra atomen, som ofta men inte nödvändigtvis är ett metalliskt grundämne, ges ett positivt oxidationstal.