Какая сила создает электроотрицательность?

Короткий ответ: электромагнетизм также вызывает электроотрицательность.

Более длинный ответ: то, какое распределение электронов возникает в равновесии вокруг набора положительных ядер (и, следовательно, в молекуле), зависит от распределения ядер и их зарядов. Вполне интуитивно понятно, что электроны больше притягиваются к ядрам с более высоким зарядом, точно так же, как в некоторых кругах привлекательных женщин больше привлекают парни с наибольшей мышечной массой, тогда как безбородая удочка будет в одиночестве потягивать свой стакан апельсинового сока. на вечеринке. Но, как и в случае спаривания, ситуация немного сложнее с электроотрицательностью, где радиус орбиталей также играет роль в том, какое ядро ​​больше всего притягивает электроны.

Независимо от конкретных причин предпочтительного притяжения результирующее распределение заряда можно было бы наивно описать, сведя в таблицу плотность заряда через регулярные пикометрические интервалы в направлении x, y, z, или его можно описать чем-то, что называется мультипольным разложением. В многополюсном расширении задействована некоторая математика, но интуиция, стоящая за этим, является основной. Он описывает угловое распределение заряда относительно некоторой точки отсчета (например, центра тяжести молекулы).

Мультиполь нулевого порядка (называемый «монополем») просто описывает сферически симметричное распределение заряда (одинаковая плотность заряда во всех направлениях). Мультиполь первого порядка (называемый «диполем») описывает распределение заряда, при котором в одном направлении больше положительного заряда, а в противоположном направлении больше отрицательного заряда. Мультиполь второго порядка (странно называемый «квадруполем») описывает распределение заряда в форме трилистника, то есть положительный заряд в двух предпочтительных противоположных направлениях и отрицательный заряд в двух противоположных направлениях, перпендикулярных первому. Это продолжается, и продолжается, и продолжается («октуполи», «гексадекуполи» и т. д.), вплоть до бесконечного порядка. Обычно,$1/r^2, 1/r^3\dots$).

Электроотрицательность просто имеет дело с мультиполями первого порядка (диполями) и пытается объяснить, почему они существуют для определенной молекулы, в основном в метафоре вечеринки, которую я выбрал выше. Но существует бесконечно много других типов зарядовой асимметрии/мультиполей, не имеющих конкретных названий, но являющихся лишь частным случаем состояний электромагнитного равновесия. Тем не менее, концепция электроотрицательности очень полезна просто потому, что очень часто молекулы имеют нейтральный заряд (т. е. если мы не имеем дело с ионами, атомы/молекулы не имеют монопольного момента), поэтому следующая по важности (самая сильная) форма заряда – это диполь.

Это электромагнитная сила. Нейтральность объекта не означает отсутствия электрического поля — просто у него нет поля.$1/r^2$составляющая его электрического поля. Дипольный момент даст ему$1/r^3$компонента, а моменты более высокого порядка дадут компоненты более высокого порядка в$1/r$.

Каждый атом имеет разное распределение электронов и, следовательно, разное электрическое поле. Различная электроотрицательность разных атомов возникает из-за этих разных электрических полей.

Когда происходит реакция, свободная энергия Гиббса должна быть отрицательной.

$$\Delta G=-nFE=RT\ln(Q/K)=\mu\,\mathrm dN + V\,\mathrm dp+S\,\mathrm dT$$ Таким образом, вы можете видеть, что если$E$или потенциал клетки велик, реакция является спонтанной, что означает, что электроположительный реагент и электроотрицательный реагент будут реагировать спонтанно. Вы также можете видеть, что при повышении температуры энергетические уровни орбиталей изменяются и что большинство реакций (экзотермических) можно обратить вспять при повышении температуры (константа равновесия$K$является функцией$T$). Энергия, необходимая для перевода электрона с высшей занятой орбитали на бесконечность в газообразном состоянии, называется энергией ионизации, а другая — сродством к электрону. Таким образом, большие связи, в которых атомы находятся далеко друг от друга, на самом деле более реактивны и обычно там, где молекула будет реагировать, тогда как связи, электрически поляризованные с близкими противоположными зарядами, менее реактивны (например, ионные связи). Также в процессе электролиза вы можете снова вводить электроны в молекулу и проводить несамопроизвольные реакции, точно так же, как играя на температуре. Прикладываемое напряжение должно быть по крайней мере равно напряжению спонтанной реакции, рассчитанному по приведенному выше уравнению (это известно как потенциал разложения).