Welche Kraft erzeugt Elektronegativität?

Die kurze Antwort lautet: Elektromagnetismus verursacht auch Elektronegativität.

Die längere Antwort lautet: Welche Elektronenverteilung sich im Gleichgewicht um einen Satz positiver Kerne (und damit in einem Molekül) entwickelt, hängt von der Verteilung der Kerne und ihrer Ladungen ab. Es ist ziemlich intuitiv, dass sich die Elektronen von höher geladenen Kernen mehr angezogen fühlen, so wie sich in manchen Kreisen attraktive Frauen mehr von den Männern mit der größten Muskelmasse angezogen fühlen, während die bartlose Bohnenstange alleine an seinem Glas Orangensaft nippt auf der Party. Aber wie im Fall der Paarung ist die Situation bei der Elektronegativität etwas komplizierter, wo auch der Radius der Orbitale eine Rolle spielt, welcher Kern die Elektronen am meisten anzieht.

Unabhängig von den konkreten Gründen für die bevorzugte Anziehung könnte eine resultierende Ladungsverteilung naiv beschrieben werden, indem die Ladungsdichte in regelmäßigen Pikometer-Intervallen in x-, y-, z-Richtung tabelliert wird, oder sie kann durch eine sogenannte Multipol-Expansion beschrieben werden. Bei der Multipol-Expansion ist einiges an Mathematik beteiligt, aber die Intuition dahinter ist grundlegend. Sie beschreibt die Winkelverteilung der Ladung in Bezug auf einen bestimmten Bezugspunkt (z. B. den Schwerpunkt eines Moleküls).

Der Multipol nullter Ordnung (als "Monopol" bezeichnet) beschreibt lediglich eine kugelsymmetrische Ladungsverteilung (gleiche Ladungsdichte in alle Richtungen). Der Multipol erster Ordnung (als "Dipol" bezeichnet) beschreibt eine Ladungsverteilung, bei der in einer Richtung mehr positive Ladung und in der entgegengesetzten Richtung mehr negative Ladung vorhanden ist. Der Multipol zweiter Ordnung (seltsamerweise "Quadrupol" genannt) beschreibt eine Ladungsverteilung, die kleeblattförmig ist, dh positive Ladung in zwei bevorzugten entgegengesetzten Richtungen und negative Ladung in den beiden entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu ersterer. Dies geht weiter und weiter und weiter ("Oktupole", "Hexadekupole" usw.) bis zur unendlichen Ordnung. Normalerweise,$1/r^2, 1/r^3\dots$).

Die Elektronegativität befasst sich einfach mit Multipolen erster Ordnung (Dipole) und versucht zu erklären, warum sie für ein bestimmtes Molekül existiert, im Grunde genommen in der Party-Metapher, die ich oben gewählt habe. Aber es gibt unendlich viele andere Arten von Ladungsasymmetrien/-multipolen, die keine spezifischen Namen haben, sondern die alle nur ein Spezialfall von elektromagnetischen Gleichgewichtszuständen sind. Trotzdem ist das Konzept der Elektronegativität sehr nützlich, einfach weil sehr oft Moleküle ladungsneutral sind (dh wenn wir es nicht mit Ionen zu tun haben, haben die Atome/Moleküle kein Monopolmoment), also die nächstwichtigste (stärkste) Ladungs-"Form". der Dipol.

Es ist die elektromagnetische Kraft. Ein neutrales Objekt bedeutet nicht, dass es kein elektrisches Feld gibt – es hat einfach keins$1/r^2$Komponente zu seinem elektrischen Feld. Ein Dipolmoment gibt ihm a$1/r^3$Komponente, und Momente höherer Ordnung geben Komponenten höherer Ordnung ein$1/r$.

Jedes Atom hat eine andere Elektronenverteilung und damit ein anderes elektrisches Feld. Die unterschiedliche Elektronegativität verschiedener Atome kommt von diesen unterschiedlichen elektrischen Feldern.

Wenn eine Reaktion stattfindet, muss die freie Gibbs-Energie negativ sein.

$$\Delta G=-nFE=RT\ln(Q/K)=\mu\,\mathrm dN + V\,\mathrm dp+S\,\mathrm dT$$ So können Sie das sehen, wenn die$E$oder das Zellpotential groß ist, ist die Reaktion spontan, was bedeutet, dass ein elektropositiver Reaktant und ein elektronegativer Reaktant spontan reagieren. Sie können auch sehen, dass sich die Energieniveaus der Orbitale ändern, wenn Sie die Temperatur erhöhen, und dass die meisten Reaktionen (exotherm) durch Erhöhen der Temperatur (der Gleichgewichtskonstante) umgekehrt werden können$K$ist eine Funktion von$T$). Die Energie, um ein Elektron aus dem höchsten besetzten Orbital im Gaszustand ins Unendliche zu bringen, ist als Ionisierungsenergie bekannt, und die andere ist die Elektronenaffinität. Also ja, große Bindungen, bei denen die Atome weit voneinander entfernt sind, sind tatsächlich reaktiver und typischerweise dort, wo das Molekül reagiert, während Bindungen, die elektrisch polarisiert sind und die entgegengesetzten Ladungen schließen, weniger reaktiv sind (wie ionische Bindungen). Auch durch den Prozess der Elektrolyse können Sie wieder Elektronen in das Molekül injizieren und nicht spontane Reaktionen ausführen, genau wie durch das Spielen der Temperatur. Die angelegte Spannung muss mindestens gleich der in obiger Gleichung berechneten Spannung der spontanen Reaktion sein (dies ist das sogenannte Zersetzungspotential).