Электроотрицательность и химическая связь

Электроотрицательность — одно из важнейших понятий в органической химии. Определение ей дал Лайнус Полинг в своей книге о природе химической связи. По словам Лайнуса Полинга электроотрицательность — это способность атома в молекуле смещать к себе электроны. Глядя на молекулу, можно сравнить атомы в её составе. Можно сравнить углерод и кислород по их электроотрицательности. Для этого воспользуемся периодической таблицей органических элементов, в которой представлены элементы, наиболее часто встречающиеся в органической химии. Голубым цветом в ней показана шкала электроотрицательности Полинга. Лайнус Полинг рассчитал значения электроотрицательности элементов и поместил их в таблицу. Это позволяет сравнивать разные элементы друг с другом. Например, электроотрицательность углерода составляет 2,5. Мы можем сравнить его с кислородом, электроотрицательность которого 3,5. Кислород более электроотрицателен, чем углерод, следовательно он будет смещать на себя электронную пару от атома углерода. Мы говорим об общей электронной паре связей между углеродом и кислородом. Так как кислород более электроотрицателен, он оттягивает электроны на себя. Электроны заряжены отрицательно. Кислород приобретает небольшой отрицательный заряд. Частичный заряд. Он обозначается малой греческой буквой «дельта» со знаком. Направление оттягивания электронной пары обозначают стрелкой вдоль линии связи. Я нарисую эту стрелку. Вот так. Вот такая стрелка. Так в молекуле происходит перераспределение электронной плотности. Углерод теряет часть отрицательного заряда, становясь из нейтрального частично положительным из-за отдаления электронов. Углерод частично положителен, кислород частично отрицателен, и из-за этого молекула становится полярной. Вот так. Ковалентная связь становится полярной связью из-за разной электроотрицательности атомов. Приведём ещё несколько примеров различий в электроотрицательности. Пусть в молекуле 2 атома углерода. Что будет с электронами в этом случае? У них одинаковая электроотрицательность. 2,5 у левого атома, и у правого — тоже 2,5. Электроотрицательность одинакова, электроны связи смещаются к обоим атомам одинаково, оставаясь ровно между 2 атомами. По этой причине связь симметричная и неполярная. Из-за равной электроотрицательности. Это неполярная ковалентная связь. Я запишу это. Вот так. Теперь сравним атомы водорода и углерода. Вот так. Вот связь между углеродом и водородом, и мне интересно поведение электронов. Как мы уже знаем, электроотрицательность углерода составляет 2,5. У водорода она равна 2,1. Разность равна 0,4. Электроотрицательность различна, но разность мала. Поэтому большинство специалистов считает связь между углеродом и водородом неполярной ковалентной связью. Продолжим ещё одним примером. Мы уже сравнивали электроотрицательность углерода и кислорода. Как вы помните, электроотрицательность углерода равна 2,5, кислорода — 3,5. Разность равна 1. Связь между ними будет полярной ковалентной связью. Связь асимметричная и полярная, так что кислород оттягивает на себя электроны, приобретая частичный отрицательный заряд, а углерод приобретает частичный положительный заряд. Как видите, разная электроотрицательность привела к поляризации связи. Разницы в 0,4 было недостаточно для поляризации связи. Согласно литературе, минимальная разность электроотрицательностей для поляризации связи равна 0,5. Если разность электроотрицательностей превышает 0,5, связь можно считать полярной. Если разность электроотрицательностей не превышает 0,5, ковалентная связь будет неполярной. Вспомните шкалу электроотрицательности Полинга. Это не единственная существующая шкала. Числа на шкале не являются абсолютными значениями, это, скорее, относительная разность электроотрицательностей. Возьмём ещё один пример. Сравним кислород и водород. Что будет с электронами между этими атомами? Вот эта связь. Находим значения электроотрицательности. У кислорода — 3,5, у водорода — 2,1. Разность составляет 1,4. Из-за такой разности электротрицательностей связь будет полярной. Кислород оттягивает на себя электроны, приобретая частичный отрицательный заряд. Водород приобретает частичный положительный заряд. Теперь сравним углерод и литий. Я рисую связь между углеродом и литием, и меня интересует поведение электронов между ними. Электроотрицательность углерода — 2,5. Электроотрицательность лития найдём в таблице. Вот он, в первой группе периодической таблицы с электроотрицательностью 1. Вернёмся к нашей связи. Разность электроотрицательностей составляет 1,5, поэтому связь будет полярной. Углерод оттянет на себя электроны от лития, приобретая частичный отрицательный заряд из-за перераспределения электронной плотности, а литий приобретает частичный положительный заряд. Связь асимметричная и полярная. Но также можно считать её и ионной. Всё зависит от электроотрицательности атомов и от типа рассматриваемой химической реакции. Мы можем считать эту связь ионной. Рассмотрим пример, где связь гарантированно ионная. Знаменитый пример — хлорид натрия. Допустим, я считаю связь между натрием и хлором ковалентной. Если это ковалентная связь, то она образована 2 электронами. Вот так. Рассчитаем разность электроотрицательностей натрия и хлора. По таблице электроотрицательность натрия равна 0,9. Электроотрицательность хлора составляет 3. Таким образом, разность электроотрицательностей составляет 2,2. Это очень большая разность. При такой разности общая электронная пара больше не общая. Один из атомов отнимает эту электронную пару. Атом хлора окружён 8 электронами, присвоив себе 2 электрона из связи с натрием из-за огромной разности электроотрицательностей. Хлор так сильно оттягивает электроны, что полностью отнимает их. Хлор отнимает эти 2 электрона связи, вот так. Натрий остаётся без электронов. Из-за лишнего электрона хлор получает формальный заряд -1. Это уже не частичный заряд, это полноценная отрицательная единица. Натрий, потеряв электрон, получает положительный формальный заряд. Так образуется ионная связь между двумя разноимённо заряженными ионами. То есть разность электроотрицательностей между 1,5 и 2,1 приводит к образованию ионной связи. Большинство специалистов считает, что для этого нужна разность выше 1,7. Разность менее 1,7 обычно относят к полярным ковалентным связям, но далеко не всегда. В примере с углеродом и литием мы сочли связь между этими атомами полярной ковалентной связью. Но в некоторых случаях эту же связь считают ионной. Я покажу это на рисунке. Покажем ионную связь. Углерод электроотрицательнее лития. Углерод оттягивает на себя электронную пару, практически отнимая её у лития. Углерод отнимает электроны у лития, и литий получает формальный заряд +1, углерод — формальный заряд -1. И эту связь можно считать ионной, что иногда бывает полезно для проведения некоторых реакций в органической химии. Принятое разделительное значение 1,7 не является абсолютным. Оно относительно. Можно считать связь ковалентной, как здесь, или же считать связь ионной, как здесь. Пограничная ситуация. Теперь вы знаете об электроотрицательности и её значениях. В следующих роликах уже не будет чисел, мы будем рассматривать относительную разность электроотрицательностей органических элементов. Это поможет вам понять органическую химию.