NộI Dung
- Cấu trúc của nguyên tử
- Khái niệm cơ bản về liên kết hóa học
- Liên kết hóa học và độ âm điện
- Giá trị độ âm điện và bảng tuần hoàn
- Công việc khác: Nguyên tử bề mặt
Độ âm điện là một khái niệm trong hóa học phân tử mô tả khả năng của các nguyên tử để thu hút các electron vào chính nó. Giá trị bằng số của một nguyên tử có độ âm điện càng lớn, nó càng hút các electron tích điện âm về phía hạt nhân mang điện tích dương của nó và các neutron (trừ hydro).
Do các nguyên tử không tồn tại trong sự cô lập và thay vào đó hình thành các hợp chất phân tử bằng cách kết hợp với các nguyên tử khác, nên khái niệm độ âm điện rất quan trọng vì nó quyết định bản chất của liên kết giữa các nguyên tử. Các nguyên tử tham gia với các nguyên tử khác thông qua quá trình chia sẻ electron, nhưng điều này thực sự có thể được xem nhiều hơn như một trò chơi kéo co không thể giải quyết: Các nguyên tử liên kết với nhau bởi vì, trong khi cả hai nguyên tử không "chiến thắng", sự hấp dẫn lẫn nhau thiết yếu của chúng giữ các electron được chia sẻ của chúng phóng to xung quanh một số điểm được xác định khá rõ giữa chúng.
Cấu trúc của nguyên tử
Các nguyên tử bao gồm các proton và neutron, tạo nên trung tâm hoặc hạt nhân của các nguyên tử và electron, "quay quanh" hạt nhân giống như các hành tinh rất nhỏ hoặc sao chổi quay tròn với tốc độ madcap quanh mặt trời cực nhỏ. Một proton mang điện tích dương 1,6 x 10-19 coulomb, hoặc C, trong khi một electron mang điện tích âm có cùng độ lớn. Các nguyên tử thường có cùng số proton và electron, làm cho chúng trung hòa về điện. Các nguyên tử thường có cùng số proton và neutron.
Một loại hoặc nhiều loại nguyên tử cụ thể, được gọi là một nguyên tố, được xác định bởi số lượng proton mà nó có, được gọi là số nguyên tử của nguyên tố đó.Hydrogen, với số nguyên tử là 1, có một proton; uranium, có 92 proton, tương ứng là số 92 trong bảng tuần hoàn của các nguyên tố (xem Tài nguyên để biết ví dụ về bảng tuần hoàn tương tác).
Khi một nguyên tử trải qua một sự thay đổi về số lượng proton của nó, nó không còn là nguyên tố giống nhau nữa. Mặt khác, khi một nguyên tử tăng hoặc giảm neutron, nó vẫn giữ nguyên nguyên tố đó nhưng là một đồng vị của các hình thức ban đầu, ổn định hóa học nhất. Khi một nguyên tử tăng hoặc giảm electron nhưng mặt khác vẫn giữ nguyên, nó được gọi là ion.
Các electron, nằm trên các cạnh vật lý của các sắp xếp vi mô này, là thành phần của các nguyên tử tham gia liên kết với các nguyên tử khác.
Khái niệm cơ bản về liên kết hóa học
Thực tế là hạt nhân của các nguyên tử tích điện dương trong khi các electron quan tâm xung quanh các nguyên tử rìa vật lý được tích điện âm xác định cách thức các nguyên tử riêng lẻ tương tác với nhau. Khi hai nguyên tử ở rất gần nhau, chúng đẩy nhau bất kể chúng là nguyên tố nào, bởi vì các electron tương ứng của chúng "chạm trán" với nhau trước và các điện tích âm đẩy lên các điện tích âm khác. Các hạt nhân tương ứng của chúng, trong khi không gần nhau như các electron của chúng, cũng đẩy nhau. Tuy nhiên, khi các nguyên tử cách nhau đủ khoảng cách, chúng có xu hướng thu hút lẫn nhau. (Các ion, như bạn sẽ sớm thấy, là một ngoại lệ; hai ion tích điện dương sẽ luôn đẩy nhau và ditto cho các cặp ion tích điện âm.) Điều này ngụ ý rằng ở một khoảng cách cân bằng nhất định, cân bằng lực hấp dẫn và lực đẩy và các nguyên tử sẽ vẫn ở khoảng cách này trừ khi bị làm phiền bởi các lực lượng khác.
Năng lượng tiềm năng trong cặp nguyên tử - nguyên tử được định nghĩa là âm nếu các nguyên tử bị hút vào nhau và dương nếu các nguyên tử tự do di chuyển khỏi nhau. Ở khoảng cách cân bằng, năng lượng tiềm năng giữa các nguyên tử ở giá trị thấp nhất (nghĩa là âm nhất). Đây được gọi là năng lượng liên kết của nguyên tử trong câu hỏi.
Liên kết hóa học và độ âm điện
Một loạt các loại liên kết nguyên tử tiêu cho cảnh quan của hóa học phân tử. Điều quan trọng nhất cho các mục đích hiện tại là liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.
Tham khảo các cuộc thảo luận trước đây về các nguyên tử có xu hướng đẩy nhau gần nhau chủ yếu là do sự tương tác giữa các điện tử của chúng. Nó cũng được ghi nhận rằng các ion tích điện tương tự đẩy nhau bất kể điều gì. Tuy nhiên, nếu một cặp ion có điện tích trái dấu - nghĩa là, nếu một nguyên tử bị mất một electron để mang điện tích +1 trong khi một nguyên tử khác đã thu được một electron để mang điện tích -1 - thì hai nguyên tử đó bị hút rất mạnh vào mỗi nguyên tử khác Điện tích ròng trên mỗi nguyên tử sẽ xóa sạch mọi tác động đẩy của các electron của chúng và các nguyên tử có xu hướng liên kết. Vì các liên kết này nằm giữa các ion, nên chúng được gọi là liên kết ion. Muối ăn, bao gồm natri clorua (NaCl) và kết quả từ một nguyên tử natri tích điện dương với một nguyên tử clo tích điện âm để tạo ra một phân tử trung hòa điện, minh họa cho loại liên kết này.
Liên kết cộng hóa trị xuất phát từ cùng một nguyên tắc, nhưng các liên kết này không mạnh bằng vì sự hiện diện của các lực cạnh tranh có phần cân bằng hơn. Ví dụ: nước (H2O) có hai liên kết hydro-oxy hóa trị. Lý do các liên kết này hình thành chủ yếu là do quỹ đạo electron bên ngoài của các nguyên tử "muốn" tự lấp đầy với số lượng điện tử nhất định. Con số đó khác nhau giữa các nguyên tố và chia sẻ electron với các nguyên tử khác là một cách để đạt được điều này ngay cả khi nó có nghĩa là vượt qua các hiệu ứng chống thấm khiêm tốn. Các phân tử bao gồm các liên kết cộng hóa trị có thể là cực, có nghĩa là mặc dù điện tích ròng của chúng bằng không, các phần của phân tử mang điện tích dương được cân bằng bởi các điện tích âm ở nơi khác.
Giá trị độ âm điện và bảng tuần hoàn
Thang đo Pauling được sử dụng để xác định mức độ âm điện của một yếu tố nhất định. (Thang đo này lấy tên từ nhà khoa học đã từng đoạt giải Nobel Linus Pauling.) Giá trị càng cao, một nguyên tử càng háo hức thu hút các electron về phía mình trong các kịch bản cho vay khả năng liên kết cộng hóa trị.
Yếu tố xếp hạng cao nhất trong thang đo này là flo, được gán giá trị 4.0. Xếp hạng thấp nhất là các yếu tố tương đối khó hiểu Caesium và francium, kiểm tra ở mức 0,7. Liên kết "không đồng đều" hoặc cực, cộng hóa trị xảy ra giữa các phần tử có sự khác biệt lớn; trong những trường hợp này, các electron dùng chung nằm gần một nguyên tử hơn so với nguyên tử khác. Nếu hai nguyên tử của một nguyên tố liên kết với nhau, như với một O2 phân tử, các nguyên tử rõ ràng là bằng nhau về độ âm điện và các electron nằm cách xa nhau cho mỗi hạt nhân. Đây là một trái phiếu không cực.
Vị trí của một nguyên tố trên bảng tuần hoàn cung cấp thông tin chung về độ âm điện của nó. Giá trị của các yếu tố độ âm điện tăng dần từ trái sang phải cũng như từ dưới lên trên. Vị trí fluor gần phía trên bên phải đảm bảo giá trị cao của nó.
Công việc khác: Nguyên tử bề mặt
Như với vật lý nguyên tử nói chung, phần lớn những gì đã biết về hành trạng của các electron và liên kết là, trong khi được thiết lập bằng thực nghiệm, phần lớn là lý thuyết ở cấp độ của các hạt hạ nguyên tử riêng lẻ. Các thí nghiệm để xác minh chính xác những gì các electron riêng lẻ đang làm là một vấn đề kỹ thuật, như cách ly các nguyên tử riêng lẻ có chứa các electron đó. Trong các thí nghiệm để kiểm tra độ âm điện, các giá trị theo truyền thống được lấy từ sự cần thiết, tính trung bình các giá trị của rất nhiều nguyên tử riêng lẻ.
Năm 2017, các nhà nghiên cứu đã có thể sử dụng một kỹ thuật gọi là kính hiển vi lực điện tử để kiểm tra các nguyên tử riêng lẻ trên bề mặt silicon và đo các giá trị độ âm điện của chúng. Họ đã làm điều này bằng cách đánh giá hành vi liên kết của silicon với oxy khi hai nguyên tố được đặt ở khoảng cách khác nhau. Khi công nghệ tiếp tục cải tiến trong vật lý, kiến thức của con người về độ âm điện sẽ phát triển hơn nữa.