Efnatengi og rafneikvæðni: frá sameiginlegum pörum til jónagrinda

Hvers vegna tengi myndast: orka á móti fjarlægð

Tvö vetnisatóm sem eru langt hvort frá öðru víxlverka ekki. Þegar þau nálgast dregst hvor rafeind að báðum kjörnum og orkan lækkar. Enn nær hrinda kjarnarnir tveir hvor öðrum sterklega frá sér og orkan hækkar. Tengilengdin er fjarlægðin á botni þessarar orkudældar, 74 pm fyrir H₂, og dýpt dældarinnar er tengiorkan, 436 kJ/mol fyrir H–H í töflu 7.2 í OpenStax Chemistry 2e.

Sérhvert tengi er jafnvægi aðdráttar og fráhrindingar, svo það kostar alltaf orku að rjúfa tengi og myndun þess losar alltaf orku. Efnahvarf er útvermið þegar tengin sem myndast eru í heild sterkari en tengin sem rofna.

Rafneikvæðni og kvarðinn frá samgildu til jónísks

Rafneikvæðni mælir hve sterkt atóm dregur að sér sameiginlegu rafeindirnar í tengi. Kvarði Paulings er algengastur. Hann er víddarlaus, reiknuð tala, ekki mældur eiginleiki. Á mynd 7.6 í OpenStax er flúor hæst með 4.0, þá súrefni með 3.5 og köfnunarefni og klór með 3.0, en málmar í 1. flokki eru lægstir, til dæmis natríum með 0.9. Gildin hækka eftir lotu og lækka niður eftir flokki.

Mismunurinn ΔEN milli tveggja tengdra atóma gefur grófa tengigerð. OpenStax notar þessi viðmiðunarmörk: undir 0.4, óskautað samgilt; 0.4 til 1.8, skautað samgilt; yfir 1.8, jónískt. Rafneikvæðara atómið ber hlutaneikvæðu hleðsluna, δ−.

Mörkin eru viðmið með raunverulegum undantekningum. HF hefur ΔEN = 1.9 en er samgild sameind, og SiF₄, með ΔEN = 2.2 fyrir hvert Si–F tengi, er sameindagas. Notaðu ΔEN til að bera saman tengi, ekki til að flokka efnasamband með vissu.

Útreiknað dæmi: sex tengjum raðað eftir skautun

Raðaðu B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl og K–Br frá minnst til mest skautaðs, með eldri gildum Paulings á mynd 7.6 í OpenStax: H 2.1, B 2.0, C 2.5, N 3.0, O 3.5, Al 1.5, P 2.1, Cl 3.0, Br 2.8 og K 0.8.

Mismunurinn er B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 og K–Br 2.0, og það er röðunin. Tvær niðurstöður koma mörgum nemendum á óvart. Í B–H er vetni neikvæði endinn, því bór er minna rafneikvætt en vetni. Og K–Br lendir á jóníska sviðinu, í samræmi við að kalíumbrómíð er jónískt fast efni, en Al–Cl er nálægt efri mörkum skautaða samgilda sviðsins; álklóríði er lýst sem jónísku í sumum fösum og sem sameindaefni í öðrum.

Tvískautsvægi og jónaeðli í prósentum

Skautað tengi hefur tvískautsvægi μ = Qr, stærð aðskildu hleðslunnar sinnum fjarlægðin milli hleðslnanna. Tvískautsvægi eru yfirleitt gefin í debye: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Ef heil hleðsla rafeindar, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, væri færð um 1 Å væri tvískautsvægið 4.803 D. Samanburður á mældu μ við þetta fullkomlega jóníska gildi gefur áætlað jónaeðli í prósentum, (μ mælt / μ fullkomlega jónískt) × 100.

Dæmi 1. NIST Chemistry WebBook skráir, fyrir H³⁵Cl í gasfasa, μ = 1.1085 D og jafnvægistengilengd 1.27455 Å. Fullkomlega jónískt H⁺Cl⁻ í þeirri fjarlægð hefði μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D. Jónaeðlið er 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. Fyrir HF, með WebBook-gildin μ = 1.82618 D og r = 0.91680 Å, er fullkomlega jóníska gildið 4.404 D og jónaeðlið 41.5%.

Röðunin er í samræmi við ΔEN (0.9 fyrir HCl, 1.9 fyrir HF), en tölurnar sýna hve langt jafnvel stórt ΔEN er frá algerum hleðsluflutningi. HF er nær samgilda endanum en ΔEN eitt og sér gefur til kynna.

Grindarorka og lögmál Coulombs

Jónískt fast efni er haldið saman af aðdráttarkrafti milli sérhverrar katjónar og sérhverrar anjónar í kristalnum. Grindarorka þess er orkan sem þarf til að skilja eitt mól af fasta efninu í loftkenndar jónir. OpenStax skilgreinir hana sem jákvæða, en sumar kennslubækur nota öfugt ferli og gefa neikvæð gildi, svo athugaðu formerkjavenjuna fyrst.

Samkvæmt lögmáli Coulombs vex aðdrátturinn með margfeldi jónahleðslnanna og minnkar eftir því sem fjarlægðin milli jóna vex. Hleðslan ræður yfirleitt mestu. Kafli 7.5 í OpenStax skráir LiF með 1023 kJ/mol og MgO, þar sem jónirnar bera hleðslurnar 2+ og 2−, með 3900 kJ/mol, næstum fjórum sinnum meira. Stærð skiptir næst máli: MgF₂ er 2957 kJ/mol og MgI₂ er 2327 kJ/mol, því stærri joðíðjónin heldur hleðslunum lengra hvorri frá annarri.

Útreiknað dæmi: Born–Haber-hringur fyrir natríumklóríð

Grindarorku er ekki hægt að mæla beint, svo hún er fundin með hring samkvæmt lögmáli Hess. Myndaðu NaCl(s) úr frumefnum sínum eftir óbeinni leið þar sem öll þrep eru mælanleg og krefstu þess síðan að sú leið gefi sömu heild og beina myndunarhvarfið.

Dæmi 2. Notaðu þessi þrep. Þurrgufaðu natríum, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, ΔH°f fyrir Na(g) úr viðauka G í OpenStax. Myndaðu klóratóm, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, ΔH°f fyrir Cl(g). Jónaðu natríum, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, út frá NIST-gildinu 5.1391 eV. Bættu rafeind við klór, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, út frá rafeindasækninni 3.6131 eV í NIST Chemistry WebBook. Loks losar Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) grindarorkuna, U.

Heildarhvarfið er Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), með ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Því er 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, sem gefur U = 787.2 kJ/mol. Taktu eftir að jónun kostar meiri orku en rafeindasæknin skilar til baka. Án hinnar miklu grindarorku væri myndun NaCl úr frumefnum sínum ekki útvermin. Birt gildi á grindarorku NaCl eru nokkrum prósentum ólík eftir gögnum og aðferð (OpenStax gefur upp 769 kJ), svo berðu saman þróun frekar en síðustu tölustafi.

Hvarfvermi metið út frá tengiorku

Fyrir hvörf í gasfasa geturðu metið ΔH með því að telja tengi: ΔH ≈ Σ(orka tengja sem rofna) − Σ(orka tengja sem myndast). Töflugildi tengiorku eru meðaltöl yfir margar sameindir, svo niðurstaðan er aðeins mat og getur skeikað tugum kílójúla frá gildinu sem fæst úr myndunarvermi.

Dæmi 3. Mettu ΔH fyrir C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g). Fjögur C–H tengi etýlens haldast, svo hunsaðu þau. Rofin: eitt C=C (611 kJ/mol) og eitt H–H (436 kJ/mol), 1047 kJ alls. Mynduð: eitt C–C (345 kJ/mol) og tvö ný C–H (2 × 415 kJ/mol), 1175 kJ alls. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. Gildið út frá myndunarvermi, úr viðauka G, er −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Matið hefur rétt formerki og skeikar innan við um það bil 6%.

Ranghugmyndir um efnatengi sem ber að forðast

Flestar villur stafa af því að líta á gróf viðmið sem nákvæmar reglur eða af því að blanda saman formerkjavenjum. Þetta eru algengustu villurnar.

• Að líta á ΔEN = 1.8 sem skörp mörk milli samgilds og jónísks. Kvarðinn er samfelldur og efnasambönd eins og HF og SiF₄ brjóta regluna.
• Að rugla saman rafneikvæðni og rafeindasækni. Rafeindasækni er mæld orka fyrir atóm í gasfasa; rafneikvæðni lýsir atómi í tengi.
• Að gera ráð fyrir að rafneikvæðara atómið sé alltaf málmleysinginn sem þú myndir búast við. Athugaðu töfluna: í B–H og Si–H tengjum er vetni neikvæði endinn.
• Að snúa formúlunni fyrir tengiorku við. Hún er rofin tengi mínus mynduð tengi, öfug röð miðað við formúluna fyrir myndunarvermi.
• Að blanda saman formerkjavenjum fyrir grindarorku innan eins Born–Haber-hrings.
• Að telja tvítengi sem tvö einföld tengi. C=C tengi (611 kJ/mol) er veikara en tvö C–C tengi (690 kJ/mol).