Шкала Полинга

Шкала Полинга — это числовая шкала, используемая в химии для количественной оценки относительной электроотрицательности химических элементов. Предложена американским химиком Лайнусом Полингом в 1932 году. Значение электроотрицательности по Полингу (χ) — безразмерная величина, отражающая способность атома в молекуле притягивать к себе общие электронные пары, образующие ковалентную связь. Чем выше значение, тем сильнее атом притягивает электроны.

История создания

В 1932 году Лайнус Полинг, работая в Калифорнийском технологическом институте, опубликовал статью «Природа химической связи. IV. Энергия одинарных связей и относительная электроотрицательность атомов». В этой работе он впервые предложил метод количественного определения электроотрицательности, основанный на термодинамических данных — энергиях связей.

До Полинга понятие электроотрицательности существовало на качественном уровне (например, в работах Йёнса Якоба Берцелиуса), но не имело численного выражения. Полинг заметил, что энергия гетероатомной связи A—B (E_AB) часто больше, чем среднее арифметическое энергий гомоатомных связей A—A и B—B. Он предположил, что эта разница связана с ионным вкладом в связь, обусловленным разностью электроотрицательностей атомов.

Принцип расчёта

Полинг вывел эмпирическое уравнение, связывающее разность электроотрицательностей (χ_A — χ_B) с энергией связи:

|χ_A — χ_B| = 0,102 * √(Δ), где

Δ = E_AB — (E_AA + E_BB) / 2

В этом уравнении:

• E_AB — энергия связи A—B (в кДж/моль);
• E_AA и E_BB — энергии гомоатомных связей A—A и B—B;
• 0,102 — коэффициент пересчёта из кДж/моль в электронвольты.

Полинг выбрал в качестве эталона водород (χ_H = 2,20) и фтор (χ_F = 4,00). Фтор, как самый электроотрицательный элемент, получил максимальное значение. Все остальные значения были рассчитаны относительно этих двух точек.

Значения электроотрицательности по Полингу

Шкала Полинга охватывает диапазон от 0,7 (франций) до 4,0 (фтор). Значения для большинства элементов лежат в интервале от 0,7 до 3,5. Ниже приведены значения для некоторых типичных элементов:

Применение

Классификация химических связей

Шкала Полинга является ключевым инструментом для определения типа химической связи между атомами. Разность электроотрицательностей (Δχ) позволяет оценить полярность связи:

• Неполярная ковалентная связь: Δχ < 0,4. Электронная пара распределена практически равномерно (например, H—H, C—H).
• Полярная ковалентная связь: 0,4 ≤ Δχ ≤ 1,7. Электронная пара смещена к более электроотрицательному атому (например, H—Cl, C—O).
• Ионная связь: Δχ > 1,7. Электронная пара практически полностью переходит к более электроотрицательному атому, образуя ионы (например, Na—Cl, K—F).

Границы этих диапазонов являются условными и зависят от конкретных атомов и их окружения.

Прогнозирование химических свойств

Значения электроотрицательности по Полингу используются для предсказания:

• Кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов.
• Направления протекания реакций замещения.
• Устойчивости соединений в различных степенях окисления.
• Склонности элементов к образованию анионов или катионов.

Сравнение с другими шкалами

Помимо шкалы Полинга, существуют другие методы оценки электроотрицательности:

• Шкала Малликена: основана на среднем арифметическом энергии ионизации и сродства к электрону.
• Шкала Оллреда — Рохоу: основана на электростатической силе, действующей на валентный электрон со стороны ядра.
• Шкала Сэндерсона: основана на плотности электронов в атоме.

Шкала Полинга остаётся наиболее распространённой в учебной и справочной литературе благодаря своей простоте и наглядности, хотя она является эмпирической и не имеет строгого физического обоснования, в отличие от шкалы Малликена.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, шкала Полинга имеет ряд недостатков:

1. Эмпиричность: Значения получены из экспериментальных данных по энергиям связей, которые не всегда доступны или точны.
2. Зависимость от валентного состояния: Электроотрицательность одного и того же элемента может меняться в зависимости от его степени окисления и гибридизации. Например, углерод в sp³-гибридизации (χ≈2,5) менее электроотрицателен, чем в sp²-гибридизации (χ≈2,7) или sp-гибридизации (χ≈3,0). Шкала Полинга даёт усреднённое значение.
3. Неприменимость к благородным газам: Для большинства благородных газов значения электроотрицательности не определены, так как они редко образуют химические связи.
4. Отсутствие абсолютного нуля: Шкала является относительной, а не абсолютной мерой.

Интересные факты

• Лайнус Полинг — единственный человек, получивший две Нобелевские премии в разных областях: по химии (1954) и премию мира (1962).
• Первоначально Полинг использовал шкалу, где фтору было присвоено значение 4,0, а водороду — 2,1. Позднее значение водорода было уточнено до 2,20.
• Значение электроотрицательности франция (0,70) является наименьшим в шкале Полинга, что делает его наиболее электроположительным элементом.
• В современной химии для более точных расчётов часто используют шкалу Малликена или Оллреда — Рохоу, но шкала Полинга остаётся стандартом для качественного анализа.

Источники

1. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms // Journal of the American Chemical Society. — 1932. — Vol. 54, № 9. — P. 3570–3582.
2. Pauling L. The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: An Introduction to Modern Structural Chemistry. — 3rd ed. — Ithaca, NY: Cornell University Press, 1960.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
4. Cotton F. A., Wilkinson G. Advanced Inorganic Chemistry. — 6th ed. — New York: Wiley, 1999.