Inhalt
- Struktur des Atoms
- Grundlagen der chemischen Bindung
- Chemische Bindungen und Elektronegativität
- Elektronegativitätswerte und das Periodensystem
- Weitere Arbeiten: Oberflächenatome
Elektronegativität ist ein Konzept in der Molekülchemie, das die Fähigkeit von Atomen beschreibt, Elektronen an sich selbst zu ziehen. Je höher der numerische Wert einer bestimmten Elektronegativität eines Atoms ist, desto stärker zieht es negativ geladene Elektronen zu seinem positiv geladenen Kern aus Protonen und (mit Ausnahme von Wasserstoff) Neutronen.
Da Atome nicht isoliert existieren und stattdessen durch Kombination mit anderen Atomen molekulare Verbindungen bilden, ist das Konzept der Elektronegativität wichtig, da es die Art der Bindungen zwischen Atomen bestimmt. Atome verbinden sich durch den Austausch von Elektronen mit anderen Atomen. Dies kann jedoch eher als nicht auflösbares Tauziehen angesehen werden: Die Atome bleiben miteinander verbunden, da beide Atome zwar nicht "gewinnen", aber ihre wesentliche gegenseitige Anziehungskraft Lässt ihre gemeinsamen Elektronen um einen ziemlich genau definierten Punkt zwischen ihnen zoomen.
Struktur des Atoms
Atome bestehen aus Protonen und Neutronen, die das Zentrum oder den Kern der Atome bilden, und Elektronen, die den Kern wie winzige Planeten oder Kometen "umkreisen", die sich mit rasender Geschwindigkeit um eine winzige Sonne drehen. Ein Proton trägt eine positive Ladung von 1,6 x 10-19 Coulomb oder C, während ein Elektron eine negative Ladung der gleichen Größe trägt. Atome haben normalerweise die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, wodurch sie elektrisch neutral werden. Atome haben normalerweise ungefähr die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen.
Eine bestimmte Art oder Sorte von Atomen, die als Element bezeichnet wird, ist durch die Anzahl der Protonen definiert, die als Ordnungszahl dieses Elements bezeichnet wird.Wasserstoff mit der Ordnungszahl 1 hat ein Proton; Das Uran mit 92 Protonen hat im Periodensystem der Elemente die entsprechende Nummer 92 (ein Beispiel für ein interaktives Periodensystem finden Sie in den Ressourcen).
Wenn sich die Anzahl der Protonen eines Atoms ändert, ist es nicht mehr dasselbe Element. Wenn ein Atom andererseits Neutronen gewinnt oder verliert, bleibt es dasselbe Element, ist aber ein Isotop der ursprünglichen, chemisch stabilsten Form. Wenn ein Atom Elektronen gewinnt oder verliert, aber ansonsten gleich bleibt, spricht man von Ion.
Elektronen, die sich an den physikalischen Rändern dieser mikroskopischen Anordnungen befinden, sind die Bestandteile von Atomen, die an der Bindung mit anderen Atomen beteiligt sind.
Grundlagen der chemischen Bindung
Die Tatsache, dass die Atomkerne positiv geladen sind, während die Elektronen, die an den physikalischen Rändern der Atome herumlaufen, negativ geladen sind, bestimmt die Art und Weise, wie einzelne Atome miteinander interagieren. Wenn zwei Atome sehr nahe beieinander liegen, stoßen sie sich gegenseitig ab, egal welche Elemente sie darstellen, da ihre jeweiligen Elektronen sich zuerst "begegnen" und negative Ladungen gegen andere negative Ladungen drücken. Ihre jeweiligen Kerne sind zwar nicht so nah beieinander wie ihre Elektronen, stoßen sich jedoch gegenseitig ab. Wenn die Atome jedoch einen ausreichenden Abstand voneinander haben, ziehen sie sich gegenseitig an. (Ionen sind, wie Sie gleich sehen werden, eine Ausnahme. Zwei positiv geladene Ionen stoßen sich immer gegenseitig ab, ebenso negativ geladene Ionenpaare.) Dies impliziert, dass sich bei einem bestimmten Gleichgewichtsabstand die anziehenden und abstoßenden Kräfte und die Atome ausgleichen wird in diesem Abstand bleiben, sofern nicht durch andere Kräfte gestört.
Die potentielle Energie in einem Atom-Atom-Paar wird als negativ definiert, wenn sich die Atome anziehen, und als positiv, wenn sich die Atome frei voneinander entfernen können. Bei der Gleichgewichtsentfernung ist die potentielle Energie zwischen den Atomen am niedrigsten (d. H. Am negativsten). Dies nennt man die Bindungsenergie des betreffenden Atoms.
Chemische Bindungen und Elektronegativität
Eine Vielzahl von Arten von Atombindungen prägen die Landschaft der Molekülchemie. Die wichtigsten für die vorliegenden Zwecke sind Ionenbindungen und kovalente Bindungen.
Wir verweisen auf die vorangegangene Diskussion über Atome, die dazu neigen, sich vor allem aufgrund der Wechselwirkung zwischen ihren Elektronen aus der Nähe abzustoßen. Es wurde auch festgestellt, dass ähnlich geladene Ionen sich gegenseitig abstoßen, egal was passiert. Wenn jedoch ein Ionenpaar entgegengesetzte Ladungen hat - das heißt, wenn ein Atom ein Elektron verloren hat, um eine Ladung von +1 anzunehmen, während ein anderes ein Elektron gewonnen hat, um eine Ladung von -1 anzunehmen -, werden die beiden Atome sehr stark von jedem angezogen andere. Die Nettoladung an jedem Atom beseitigt alle Abwehrwirkungen, die ihre Elektronen haben könnten, und die Atome neigen dazu, sich zu verbinden. Da diese Bindungen zwischen Ionen bestehen, werden sie Ionenbindungen genannt. Tafelsalz, bestehend aus Natriumchlorid (NaCl) und resultierend aus einem positiv geladenen Natriumatom, das an ein negativ geladenes Chloratom gebunden ist, um ein elektrisch neutrales Molekül zu erzeugen, veranschaulicht diese Art der Bindung.
Kovalente Bindungen beruhen auf denselben Prinzipien, sind jedoch nicht so stark, da die konkurrierenden Kräfte etwas ausgeglichener sind. Zum Beispiel Wasser (H2O) hat zwei kovalente Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen. Der Grund für die Bildung dieser Bindungen liegt hauptsächlich darin, dass die äußeren Elektronenbahnen der Atome sich mit einer bestimmten Anzahl von Elektronen "füllen" wollen. Diese Anzahl variiert zwischen den Elementen, und das Teilen von Elektronen mit anderen Atomen ist ein Weg, dies zu erreichen, selbst wenn es bedeutet, bescheidene Abwehrwirkungen zu überwinden. Moleküle, die kovalente Bindungen enthalten, können polar sein, was bedeutet, dass obwohl ihre Nettoladung Null ist, Teile des Moleküls eine positive Ladung tragen, die durch negative Ladungen an anderer Stelle ausgeglichen wird.
Elektronegativitätswerte und das Periodensystem
Die Pauling-Skala wird verwendet, um zu bestimmen, wie elektronegativ ein bestimmtes Element ist. (Diese Skala hat ihren Namen vom verstorbenen Nobelpreisträger Linus Pauling.) Je höher der Wert, desto eifriger ist ein Atom, Elektronen in Szenarien auf sich zu ziehen, die sich für die Möglichkeit einer kovalenten Bindung eignen.
Das ranghöchste Element auf dieser Skala ist Fluor, dem ein Wert von 4,0 zugewiesen wird. Am niedrigsten sind die relativ undurchsichtigen Elemente Cäsium und Francium, die bei 0,7 einchecken. "Ungleichmäßige" oder polare kovalente Bindungen treten zwischen Elementen mit großen Unterschieden auf; in diesen Fällen liegen die geteilten Elektronen näher an einem Atom als an dem anderen. Wenn sich zwei Atome eines Elements wie bei einem O aneinander binden2 Molekül haben die Atome offensichtlich die gleiche Elektronegativität und die Elektronen liegen gleich weit von jedem Kern entfernt. Dies ist eine unpolare Bindung.
Die Position eines Elements im Periodensystem bietet allgemeine Informationen über seine Elektronegativität. Der Wert der Elektronegativität der Elemente steigt von links nach rechts sowie von unten nach oben. Die Position von Fluor oben rechts sorgt für einen hohen Wert.
Weitere Arbeiten: Oberflächenatome
Ähnlich wie in der Atomphysik im Allgemeinen ist vieles, was über das Verhalten von Elektronen und Bindungen bekannt ist, zwar experimentell nachgewiesen, aber auf der Ebene einzelner subatomarer Teilchen weitgehend theoretisch. Experimente, um genau zu überprüfen, was einzelne Elektronen tun, sind ein technisches Problem, ebenso wie das Isolieren der einzelnen Atome, die diese Elektronen enthalten. In Experimenten zur Prüfung der Elektronegativität wurden die Werte traditionell notwendigerweise aus der Mittelung der Werte einer großen Anzahl einzelner Atome abgeleitet.
Im Jahr 2017 konnten die Forscher mithilfe der so genannten elektronischen Kraftmikroskopie einzelne Atome auf der Oberfläche von Silizium untersuchen und ihre Elektronegativitätswerte messen. Dazu bewerteten sie das Bindungsverhalten von Silizium mit Sauerstoff, wenn die beiden Elemente in unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet waren. Während sich die Technologie in der Physik weiter verbessert, wird das Wissen des Menschen über die Elektronegativität weiter zunehmen.