Uunganishaji wa Kemikali na Elektronegativiti: Kutoka Jozi za Pamoja hadi Latisi za Ioni

Kwa nini kifungo huundwa: nishati dhidi ya umbali

Atomi mbili za hidrojeni zilizo mbali haziingiliani. Zinapokaribiana, kila elektroni huvutwa na viini vyote viwili, na nishati hushuka. Zikikaribia zaidi, viini viwili hukataana kwa nguvu na nishati hupanda. Urefu wa kifungo ni umbali ulio chini kabisa ya kisima hiki cha nishati, 74 pm kwa H₂, na kina cha kisima ni nishati ya kifungo, 436 kJ/mol kwa H–H katika OpenStax Chemistry 2e Jedwali 7.2.

Kila kifungo ni uwiano wa mvuto na mkataano, kwa hivyo kuvunja kifungo daima hugharimu nishati na kuunda kifungo daima hutoa nishati. Athari ni ya kutoa joto wakati vifungo vinavyoundwa vina nguvu zaidi kwa jumla kuliko vifungo vinavyovunjwa.

Elektronegativiti na kipimo kutoka ushirikiano hadi ioni

Elektronegativiti hupima jinsi atomi inavyovuta kwa nguvu elektroni zinazoshirikiwa katika kifungo. Kipimo cha Pauling ndicho kinachotumika zaidi. Ni namba iliyokokotolewa isiyo na kizio, si sifa iliyopimwa. Katika OpenStax Kielelezo 7.6, florini iko juu zaidi kwa 4.0, ikifuatwa na oksijeni kwa 3.5 na naitrojeni na klorini kwa 3.0, na metali za kundi la 1 ziko chini zaidi, kama sodiamu kwa 0.9. Thamani hupanda katika kipindi na hushuka chini ya kundi.

Tofauti ΔEN kati ya atomi mbili zilizoungana inatoa aina ya makadirio ya kifungo. OpenStax inatumia mipaka hii elekezi: chini ya 0.4, ushirikiano usio na ukanda; 0.4 hadi 1.8, ushirikiano wenye ukanda; juu ya 1.8, ioni. Atomi yenye elektronegativiti kubwa zaidi hubeba chaji hasi sehemu, δ−.

Mipaka hii ni miongozo yenye vighairi halisi. HF ina ΔEN = 1.9 lakini ni molekuli ya ushirikiano, na SiF₄, yenye ΔEN = 2.2 kwa kila kifungo cha Si–F, ni gesi ya molekuli. Tumia ΔEN kulinganisha vifungo, si kuainisha mchanganyiko kwa uhakika.

Mfano uliotatuliwa: kupanga vifungo sita kwa ukanda

Panga B–H, C–Br, N–O, P–Cl, Al–Cl na K–Br kutoka chenye ukanda mdogo zaidi hadi chenye ukanda mkubwa zaidi, ukitumia thamani za zamani za Pauling katika OpenStax Kielelezo 7.6: 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 na K 0.8.

Tofauti ni B–H 0.1, C–Br 0.3, N–O 0.5, P–Cl 0.9, Al–Cl 1.5 na K–Br 2.0, ambao ndio mpangilio. Matokeo mawili huwashangaza wanafunzi wengi. Katika B–H, hidrojeni ndiyo ncha hasi, kwa sababu boroni ina elektronegativiti ndogo kuliko hidrojeni. Na K–Br iko katika safu ya ioni, jambo linalolingana na bromidi ya potasiamu kuwa kigumu cha ioni, huku Al–Cl ikiwa karibu na juu ya safu ya ushirikiano wenye ukanda; kloridi ya alumini huelezwa kama ya ioni katika baadhi ya awamu na ya molekuli katika nyingine.

Wakati wa dipoli na asilimia ya tabia ya ioni

Kifungo chenye ukanda kina wakati wa dipoli μ = Qr, ukubwa wa chaji iliyotenganishwa ukizidishwa kwa umbali kati ya chaji. Wakati wa dipoli kwa kawaida hutolewa kwa debai: 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. Kama chaji kamili ya elektroni, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ingesogezwa umbali wa 1 Å, wakati wa dipoli ungekuwa 4.803 D. Kulinganisha μ iliyopimwa na thamani hii ya ioni kamili kunatoa makadirio ya asilimia ya tabia ya ioni, (μ iliyopimwa / μ ya ioni kamili) × 100.

Mfano uliotatuliwa 1. NIST Chemistry WebBook inaorodhesha, kwa H³⁵Cl ya awamu ya gesi, μ = 1.1085 D na urefu wa kifungo wa usawa wa 1.27455 Å. H⁺Cl⁻ ya ioni kamili katika umbali huo ingekuwa na μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D. Asilimia ya tabia ya ioni ni 1.1085/6.122 × 100 = 18.1%. Kwa HF, yenye thamani za WebBook μ = 1.82618 D na r = 0.91680 Å, thamani ya ioni kamili ni 4.404 D na tabia ya ioni ni 41.5%.

Mpangilio unakubaliana na ΔEN (0.9 kwa HCl, 1.9 kwa HF), lakini namba zinaonyesha jinsi hata ΔEN kubwa ilivyo mbali na uhamishaji kamili wa chaji. HF iko karibu zaidi na ncha ya ushirikiano kuliko ΔEN yake pekee inavyoashiria.

Nishati ya latisi na sheria ya Coulomb

Kigumu cha ioni hushikiliwa pamoja na mvuto kati ya kila kationi na kila anioni katika fuwele. Nishati yake ya latisi ni nishati inayohitajika kutenganisha mole moja ya kigumu kuwa ioni za gesi. OpenStax inaifafanua kama chanya, lakini baadhi ya vitabu hutumia mchakato wa kinyume na kutoa thamani hasi, kwa hivyo kagua mkataba wa ishara kwanza.

Kwa sheria ya Coulomb, mvuto huongezeka kwa zao la chaji za ioni na hupungua umbali kati ya ioni unapoongezeka. Chaji kwa kawaida ndiyo hutawala. OpenStax Sehemu 7.5 inaorodhesha LiF kwa 1023 kJ/mol na MgO, ambayo ioni zake hubeba chaji za 2+ na 2−, kwa 3900 kJ/mol, karibu mara nne zaidi. Ukubwa ndio unaofuata: MgF₂ ni 2957 kJ/mol na MgI₂ ni 2327 kJ/mol, kwa sababu ioni kubwa zaidi ya iodidi huweka chaji mbali zaidi.

Mfano uliotatuliwa: mzunguko wa Born–Haber kwa kloridi ya sodiamu

Nishati za latisi haziwezi kupimwa moja kwa moja, kwa hivyo hupatikana kwa mzunguko wa sheria ya Hess. Jenga NaCl(s) kutoka kwa elementi zake kwa njia isiyo ya moja kwa moja ambayo hatua zake zote zinaweza kupimwa, kisha lazimisha njia hiyo itoe jumla ile ile kama athari ya uundaji ya moja kwa moja.

Mfano uliotatuliwa 2. Tumia hatua hizi. Mvukishe sodiamu moja kwa moja kutoka kigumu, Na(s) → Na(g): +107.5 kJ/mol, ΔH°f ya Na(g) kutoka OpenStax Kiambatisho G. Tengeneza atomi za klorini, ½ Cl₂(g) → Cl(g): +121.3 kJ/mol, ΔH°f ya Cl(g). Ionisha sodiamu, Na(g) → Na⁺(g) + e⁻: +495.8 kJ/mol, kutoka kwa thamani ya NIST ya 5.1391 eV. Ongeza elektroni kwa klorini, Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g): −348.6 kJ/mol, kutoka kwa mvuto wa elektroni wa 3.6131 eV katika NIST Chemistry WebBook. Mwishowe, Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) hutoa nishati ya latisi, U.

Athari ya jumla ni Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s), yenye ΔH°f = −411.2 kJ/mol. Kwa hivyo 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2, jambo linalotoa U = 787.2 kJ/mol. Angalia kwamba uionishaji hugharimu nishati zaidi kuliko mvuto wa elektroni unavyorudisha. Bila nishati kubwa ya latisi, kuunda NaCl kutoka kwa elementi zake hakungekuwa kwa kutoa joto. Nishati za latisi zilizochapishwa kwa NaCl hutofautiana kwa asilimia chache kulingana na data na mbinu iliyotumika (OpenStax inanukuu 769 kJ), kwa hivyo linganisha mielekeo badala ya tarakimu za mwisho.

Kukadiria enthalpi ya athari kutoka kwa nishati za vifungo

Kwa athari za awamu ya gesi, unaweza kukadiria ΔH kwa kuhesabu vifungo: ΔH ≈ Σ(nishati za vifungo vilivyovunjwa) − Σ(nishati za vifungo vilivyoundwa). Nishati za vifungo zilizoorodheshwa ni wastani wa molekuli nyingi, kwa hivyo matokeo ni makadirio tu na yanaweza kukosa thamani inayotokana na enthalpi za uundaji kwa makumi ya kilojuli.

Mfano uliotatuliwa 3. Kadiria ΔH kwa C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g). Vifungo vinne vya C–H vya ethileni vinabaki, kwa hivyo vipuuze. Vilivyovunjwa: C=C moja (611 kJ/mol) na H–H moja (436 kJ/mol), 1047 kJ kwa jumla. Vilivyoundwa: C–C moja (345 kJ/mol) na C–H mbili mpya (2 × 415 kJ/mol), 1175 kJ kwa jumla. ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ. Thamani ya enthalpi za uundaji, kutoka Kiambatisho G, ni −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Makadirio yana ishara sahihi na yako ndani ya takriban 6%.

Dhana potofu za uunganishaji za kuepuka

Makosa mengi hutokana na kuchukulia miongozo ya makadirio kama kanuni kamili au kuchanganya mikataba ya ishara. Haya ndiyo ya kawaida zaidi.

• Kuchukulia ΔEN = 1.8 kama mstari mkali kati ya ushirikiano na ioni. Kipimo ni endelevu, na misombo kama HF na SiF₄ huvunja kanuni.
• Kuchanganya elektronegativiti na mvuto wa elektroni. Mvuto wa elektroni ni nishati iliyopimwa kwa atomi ya gesi; elektronegativiti inaeleza atomi katika kifungo.
• Kudhani atomi yenye elektronegativiti kubwa zaidi daima ni isiyo metali unayoitarajia. Kagua jedwali: katika vifungo vya B–H na Si–H, hidrojeni ndiyo ncha hasi.
• Kugeuza fomula ya nishati za vifungo. Ni vifungo vilivyovunjwa ukitoa vifungo vilivyoundwa, mpangilio kinyume na fomula ya enthalpi za uundaji.
• Kuchanganya mikataba ya ishara ya nishati ya latisi ndani ya mzunguko mmoja wa Born–Haber.
• Kuhesabu kifungo maradufu kama vifungo viwili vya pekee. Kifungo cha C=C (611 kJ/mol) ni dhaifu kuliko vifungo viwili vya C–C (690 kJ/mol).