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电负性知识普及

Release Time:2019-11-13
   
       电负性是分子化学中的一个概念,它描述了原子将电子吸引到自身的能力。给定原子的电负性数值越高,它越有力地将带负电的电子引向质子和(除氢以外)中子的带正电的原子核。
                                                     
       因为原子不是孤立存在的,而是通过与其他原子结合形成分子化合物的,所以电负性的概念很重要,因为它决定了原子之间键的性质。原子通过共享电子的过程与其他原子结合,但这实际上可以看作是不可解决的拔河游戏:原子保持键合,因为尽管两个原子都没有“获胜”,但它们必不可少的相互吸引保持它们共享的电子在它们之间某个明确定义的点附近缩放。


原子的结构
      原子由质子和中子(构成原子的中心或原子核)和电子(使“原子核”绕轨道运动)组成,就像很小的行星或彗星以极小速度绕着微小太阳旋转时以疯狂的速度旋转一样。质子带有1.6 x 10-19库仑或C的正电荷,而电子带有相同大小的负电荷。原子通常具有相同数量的质子和电子,使其电中性。原子通常具有大约相同数量的质子和中子。

       原子的特定类型或种类(称为元素)由其具有的质子数(称为该元素的原子数)定义。原子数为1的氢有一个质子。铀具有92个质子,在元素周期表中对应的编号为92(请参见参考资料,获取交互式元素周期表的示例)。

     当原子的质子数发生变化时,它不再是相同的元素。另一方面,当原子获得或失去中子时,它保持相同的元素,但是原始的,化学上最稳定的形式的同位素。当原子获得或失去电子但其他方面保持不变时,则称为离子。

在这些微观排列的物理边缘上的电子是参与与其他原子键合的原子的组成部分。

化学键基础
       原子的原子核带正电,而在原子的物理边缘周围游动的电子带负电,这一事实决定了各个原子彼此相互作用的方式。当两个原子非常靠近时,无论它们代表什么元素,它们都互相排斥,因为它们各自的电子首先“相遇”,并且负电荷推挤其他负电荷。它们各自的原子核虽然不如它们的电子那么紧密,但也彼此排斥。但是,当原子相距足够的距离时,它们往往会相互吸引。 (离子,正如您很快将看到的,是一个例外;两个带正电的离子将始终互相排斥,而对带负电的离子对则相同。)这意味着在一定的平衡距离处,吸引力和排斥力平衡,并且除非受到其他力的干扰,否则原子将保持此距离。

        如果原子彼此吸引,则原子-原子对中的势能定义为负,如果原子自由移动彼此,则势能定义为正。在平衡距离处,原子之间的势能处于其最低(即,最负)值。这称为所讨论原子的键能。

化学键和电负性
      各种类型的原子键使分子化学成为现实。就目前的目的而言,最重要的是离子键和共价键。

       请参考前面有关原子趋向于相互排斥的讨论,这主要是由于电子之间的相互作用。还应注意的是,无论如何,带相似电荷的离子会互相排斥。但是,如果一对离子具有相反的电荷-也就是说,如果一个原子失去了一个电子以承担+1的电荷,而另一个原子获得了一个电子以承担-1的电荷,则这两个原子将非常强烈地相互吸引其他。每个原子上的净电荷消除了电子可能产生的任何排斥作用,并且原子趋于键合。由于这些键在离子之间,因此称为离子键。食盐由氯化钠(NaCl)组成,是由带正电的钠原子键合到带负电的氯原子以产生电中性分子而产生的,它是此类键的例证。

      共价键由相同的原理产生,但是由于存在一些更加平衡的竞争力,因此这些键没有那么强。例如,水(H2O)具有两个共价氢-氧键。这些键形成的原因主要是由于原子的外部电子轨道“想要”填充一定数量的电子。该数目在元素之间变化,并且即使与其他原子共享电子也意味着克服了适度的驱避作用。包含共价键的分子可能是极性的,这意味着即使其净电荷为零,分子的某些部分也会携带正电荷,而该正电荷会与其他位置的负电荷平衡。

电负性值和周期表
       鲍林标度用于确定给定元素的负电性。 (该标度取自已故的诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)。)值越高,原子越渴望将电子吸引到自身,从而使它们具有共价键的可能性。

       在此级别上,排名最高的元素是氟,其值为4.0。排名最低的是铯和元素,它们的含量相对较低,为0.7。元素之间的差异很大,即出现“不均匀”或极性共价键;在这些情况下,共享电子比另一个原子更靠近一个原子。如果一个元素的两个原子彼此键合(例如与O2分子一样),则这些原子的电负性显然相等,并且电子距离每个原子核的距离相等,这是非极性键。

       元素在元素周期表上的位置提供有关其电负性的一般信息。元素的电负性值从左到右以及从下到上增加。氟在右上角附近的位置可确保其高价值。

进一步的工作:表面原子
       与一般的原子物理学一样,关于电子和键的行为的许多已知信息,尽管通过实验得以确立,但在很大程度上是理论上在单个亚原子粒子层面上。准确验证单个电子在做什么的实验以及隔离包含这些电子的单个原子都是一个技术问题。在测试电负性的实验中,传统上需要根据平均许多单个原子的值来得出这些值。

       2017年,研究人员能够使用一种称为电子力显微镜的技术来检查硅表面上的单个原子并测量其电负性值。他们通过评估两个元素以不同距离放置时硅与氧的键合行为来实现这一目的。随着物理技术的不断进步,人类对电负性的认识将进一步发展。
 
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