9.7: Elektroujemność

To, czy wiązanie jest niepolarne czy polarne kowalencyjne, zależy od właściwości atomów wiążących zwanej elektroujemnością.

Wartości elektroujemności pierwiastków zaproponował jeden z najsłynniejszych chemików XX wieku: Linus Pauling. Pauling badał energie wymagane do rozerwania wiązań w cząsteczkach heterojądrowych, takich jak wodór i fluor. Na podstawie tych wartości stwierdził, że energia potrzebna do rozerwania wiązania będzie średnią energii wiązań H2 (436 kJ/mol) i F2 (155 kJ/mol), tj. 296 kJ/mol. Jednakże uzyskana eksperymentalnie energia wiązania HF wynosi 565 kJ/mol, czyli jest znacznie wyższa od wartości przewidywanej. Aby wyjaśnić tę różnicę, Pauling zasugerował, że wiązanie musi mieć charakter jonowy, co jest określone przez koncepcję elektroujemności.

Elektroujemność jest miarą tendencji atomu do przyciągania elektronów (lub gęstości elektronów) do siebie.

Elektroujemność określa, w jaki sposób wspólne elektrony są rozmieszczone pomiędzy dwoma atomami w wiązaniu. Im silniej atom przyciąga elektrony w swoich wiązaniach, tym większa jest jego elektroujemność. Elektrony w polarnym wiązaniu kowalencyjnym są przesunięte w stronę atomu bardziej elektroujemnego, zatem atomem bardziej elektroujemnym jest ten z częściowym ładunkiem ujemnym. Im większa różnica elektroujemności, tym bardziej spolaryzowany rozkład elektronów i większe ładunki cząstkowe atomów.

Elektroujemność i układ okresowy

Elektroujemność wzrasta od lewej do prawej w całym okresie układu okresowego i maleje w dół grupy.

Wartości elektroujemności uzyskane przez Paulinga są zgodne z przewidywalnymi trendami okresowymi, przy czym wyższe elektroujemności znajdują się w prawym górnym rogu układu okresowego.

Zatem niemetale, które znajdują się w prawym górnym rogu, mają zwykle najwyższe elektroujemności, przy czym fluor jest najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem ze wszystkich (EN = 4,0).

Metale są zwykle pierwiastkami mniej elektroujemnymi, a metale grupy 1 mają najniższą elektroujemność.

Gazy szlachetne są wyłączone z listy elektroujemności, ponieważ atomy te zwykle nie dzielą elektronów z innymi atomami, ponieważ mają pełną powłokę walencyjną. (Chociaż związki gazów szlachetnych takie jak XeO2 istnieją, mogą powstawać jedynie w ekstremalnych warunkach i dlatego nie pasują do ogólnego modelu elektroujemności.)

Elektroujemność a powinowactwo elektronowe

Należu uważać, aby nie pomylić elektroujemności i powinowactwa elektronowego. Powinowactwo elektronowe pierwiastka to mierzalna wielkość fizyczna, czyli energia uwolniona lub pochłonięta, gdy izolowany atom w fazie gazowej przejmuje elektron, i jest mierzona w kJ/mol. Eelektroujemność opisuje natomiast, jak mocno atom przyciąga elektrony w wiązaniu. Jest to wielkość bezwymiarowa, którą się oblicza, a nie mierzy. Pauling wyprowadził pierwsze wartości elektroujemności, porównując ilości energii potrzebnej do rozerwania różnych typów wiązań. Wybrał dowolną skalę względną od 0 do 4.

Niemetale tworzą wiązania kowalencyjne poprzez współdzielenie elektronów. Ale czy te elektrony są równo dzielone między oba atomy, czy też jeden atom przyciąga elektrony bardziej niż drugi?

Model Lewisa przedstawia wszystkie wiązania kowalencyjne jako równo współdzielone elektrony, jednak nie zawsze tak jest. Na przykład, jeśli gazowy azot zostanie umieszczony w polu elektrycznym, będzie on orientował się równomiernie między biegunami. 

Ale kiedy gazowy chlorowodór, obojętna cząsteczka, jest umieszczony w polu elektrycznym, wodór orientuje się w kierunku katody, a chlor w kierunku anody, co wskazuje, że wodór ma częściowy ładunek dodatni, a chlor ma częściowy ładunek ujemny. 

Zdolność atomu do przyciągania elektronów do siebie nazywana jest elektroujemnością. Mówi się zatem, że chlor jest bardziej elektroujemny niż wodór, przyciągając do siebie wspólne elektrony, jednocześnie opierając się usunięciu własnych elektronów.

To jednak nie sprawia, że wiązanie jest jonowe. W wiązaniu jonowym elektrony są przenoszone z metali na niemetale, podczas gdy w HCl elektrony są nierównomiernie dzielone. Gęstość elektronów jest wyższa na chlorze niż na atomie wodoru, tworząc polarne wiązanie kowalencyjne

Im większa różnica elektroujemności między dwoma atomami, tym bardziej polarne będzie wiązanie. Tak więc, oprócz niepolarnych wiązań kowalencyjnych lub jonowych, polarne wiązania kowalencyjne znajdują się w wielu różnych związkach. 

Amerykański chemik Linus Pauling badał energie potrzebne do zerwania wiązań w cząsteczkach takich jak dwuatomowy chlor czy wodór. Na podstawie danych termochemicznych stworzył skalę elektroujemności, która pomaga przewidywać typy wiązań. 

Elektroujemność jest związana z energią jonizacji i powinowactwem elektronowym atomów. W układzie okresowym pierwiastków wartości elektroujemności rosną od lewej do prawej — metale są mniej elektroujemne w porównaniu z niemetalami, z wyjątkiem metali przejściowych. 

Dodatkowo wartości elektroujemności zmniejszają się w dół kolumny i wraz ze wzrostem wielkości atomu, ponieważ atomy są mniej zdolne do przyciągania elektronów do siebie.

Fluor, pierwiastek najbardziej elektroujemny, ma arbitralnie przypisaną wartość elektroujemności 3,98. Z drugiej strony frank jest najmniej elektroujemnym pierwiastkiem o wartości elektroujemności 0,7. 

Elektroujemność nie ma jednostki, nie można jej wyznaczyć doświadczalnie.