电负性在化学中的应用

摘要:本文主要讨论元素电负性理论的发展和应用，及元素周期表中电负性的变化规律。同时讨论了运用元素的电负性判断元素类型，以及元素的价态、物质的晶型、化合物的键型，总结了元素电负性理论对化学领域几个方面的贡献。

关键词:电负性应用元素类型价态晶型键型

Abstract: This article main discussion element negativity theory development and application, and in the periodic table negativity change rule.Simultaneously discussed the utilization element negativity judgment element type, as well as the element valent state, the material crystal, the compound key, summarized the element negativity theory to chemistry domain several aspect contributions.

Keywords: Electronegativity;Application; element type; Valence; crystalline; key-type;

引言

元素的电负性是指元素在形成的化学物质中将电子吸引向自己的本领。最初由鲍林(L·Pauling) 于1932 年提出,并由化学键的键能和化合物的生成焓建立了一套标度体系。通过元素的电负性揭示了原子形成分子的本质,能较好地解释化学领域中许多方面的问题它与分子中原子的极化率、软硬度、电荷分布等性质之间存在着密切的内在联系, 是人们判断物质性质的重要理论依据。

它的发展经历了原子电负性、离子电负性和键电负性三个阶段。

1电负性理论的发展

1.1元素电负性的发展及应用

Sanderson 将电负性看作是电子密度的函数, 他最大的贡献在于提出了电负性

均衡原理,即元素形成化合物后, 它们在化合物内自动调整各自的电负性初始值, 最终体系内所有原子的电负性相等。

这一原理被应用于计算化合物中原子的部分电荷以及键长。

1.2离子电负性的发展及应用

元素的电负性随其氧化态的升高而增加, 随原子(或离子)半径的增大而减小, 从而产生了价态电负性的概念, 也即离子的电负性。

离子电负性标度对探索材料的结构与性能关系具有重要的实际应用价值. 稀土离子发光材料在显示器、激光和医学等领域已得到重要应用,引起人们的广泛兴趣. 稀土离子的变价是获得电子或失去电子的过程, 其光谱中电荷迁移带所处位置的能量也可衡量稀土中心离子从配体吸引电子的难易程度, 因此稀土离子变价的难易以及电荷迁移带的能量必然与它们的电负性有关.然而, 已有的镧系元素电负性值不是数据不全, 就是不能恰如其分地反映它们对电子吸引能力的差异和变化规律, 从而限制了电负性在稀土材料研究中的应用.

1.3键电负性的发展及应用

由于分子或晶体的性质主要取决于其组成化学键的性质, 类似于原子化合价到键价、原子硬度(软度)到键硬度(软度)以及原子极化率到键极化率等这些原子性质到键性质的过渡, 键电负性的出现同样也是为了更直接地反映键上的电荷分布, 进而更方便地描述分子或晶体的各

种物理化学性质. 键型的不同,必然造成物质的晶型和性质的差异。因此可以通过元素形成化合物键型的不同,判断物质晶型及性质。一般来说,活泼金属与活泼非金属形成的化合物中,化学键为离子键,晶型则为离子型晶体,其熔沸点高,熔融时导电性好。其它元素形成的

化合物中,化学键多为极性共价键,晶型一般为原子型或分子型晶体。原子型晶体熔点较高,分子型晶

体熔点较低。熔融时导电性差或不导电。

2周期表中电负性的递变规律

主族元素电负性从左向右随着族次增加电负性依次增加, 从上到下随周期数的增加逐渐减小, 其中第IIIA 族出现了交错变化的情况. 副族元素的电负性从左向右电负性依次增加(IIB族除外); 钨铜合金从上到下随周期数的增加电负性逐渐增大, 同周期稀有气体元素的电负性最大,

3.电负性的运用

3.1电负性可用来判断元素、化学键类型

确定元素类型(一般>1.8，非金属元素；<1.8，金属元素)；

确定化学键类型(两元素电负性差值>1.7，离子键；<1.7，共价键)。

判断元素价态正负（电负性大的为负价，小的为正价）。

3.2电负性可判断金属性和非金属性强弱

电负性是判断金属性和非金属性强弱的重要参数（表征原子得电子能力强弱）。在判断时通常以电负性值2.0 作为标准。电负性值大于2.0的为非金属元素,大于2.5的为活泼非金属元素;小于2.0的为金属元素,小于1.5的为活泼金属元素。实际上金属与非金属并没有严格界线。

4电负性效应对脂肪胺核磁共振谱化学位移的影响

4.1核磁共振(NMR)的作用

核磁共振(NMR)谱是研究化合物组成、状态、结构表征的重要工具 , 由于有机化合物分子的基本骨架主要由碳原子构成, 因而13 C NMR在有机化合物结构鉴定、构象分析、反应机

理等方面起到重要作用。

4.2　部分净电荷

脂肪胺分子中; C和H以及N原子的电负性χp ( Pauling标度)不同, 使得C N 和C H 以及N H 键呈极性。根据作者以前的工作[ 13 ]可以用被考察的i原子与其键连的j原子的电负性之差来近似衡量部分净电荷Qi :

Qi = k1 ×Σ(χj -χi )

式中k1 为比例系数。

以异戊基胺(CH3 CH (CH3 ) CH2 CH2NH2 )为例, 其分子如下:

已知C、H、N的电负性分别为2. 55、2. 20和3. 04,那么分子中各碳原子所带部分净电荷为:

QC1 = k1 ×Σ(χj - χC ) = k1 ×[ (χN - χC ) + (χC - χC ) + 2 ×(χH - χC ) ]索爱c702

= k1 ×[ (3. 04 - 2. 55) +(2. 55 - 2. 55) + 2 ×(2. 20 - 2. 55) ] = - 0. 21k1

QC2 = k1 ×Σ(χj - χC ) = k1 ×[2 ×(χC -χC ) + 2 ×(χH - χC ) ]

= 2k1 ×[ (2. 55 - 2. 55) +(2. 20 - 2. 55) ] = - 0. 7k1

QC3 = k1 ×Σ(χj - χC ) = k1 ×[3 ×(χC -χC ) + (χH -χC ) ]

= k1 ×[3 ×(2. 55 - 2. 55) +(2. 20 - 2. 55) ] = - 0. 35k1

QC4 = QC5 = k1 ×Σ(χj - χC ) = k1 ×[3 ×(χH - χC ) + (χC - χC ) ]

= k1 ×[ 3 ×(2. 20 - 2. 55) +(氨基丙酸2. 55 - 2. 55) ] = - 1. 05k1

5结语

这里需要指出的是单纯的电负性标度的研究并不具有太大的理论意义和实用价值, 真正有意义的是将电负性概念应用起来, 利用电负性这个参数来研究材料的化学键性质、构建结构-性能关系, 从而实现材料设计, 指导材料合成. 例如, 2000 年, 德国马普研究所的Jansen 等人根据氮、氧两元素的电负性差

异调整钙钛矿型材料中的氮氧比例从而改变化合物的能隙, 成功地合成了无机无毒红黄染料. 2001年, 日本丰田中央研究所的Asahi 等人借鉴上述工作,在TiO2 中掺入氮元素来减小能隙, 合成了高效的可见光催化剂. 这些工作对于我们充分利用电负性概念具有很好的启发作用.

参考文献：

[1] hu Huai Wu (朱淮武). Spectral Analysis of Organic Molecular Structure(有机分子结构波谱解析). Beijing (北京) :Chemical Industry Press (化学工业出版社) , 2005: 135～148

[2] Shoolery J N. J. Magn Reson. , 1995, 28: 37～52第2期易贵元等:电负性效应、极化效应和立体效应对脂肪胺核磁共振谱化学位移的影响2009我要的坚强

[3]　Williams DH, Fleming I. Spectroscopic Method in Organic Chemistry (有机化学中的光谱方法). Ed: 5th. Trans. Wang Jian Bo, ShiWei2Feng(王剑波. 施卫峰译) . Beijing(北京) : PekingUniversity Press(北京大学出版社) , 2001: 54～58

[4] FürstA, Pretsch E, RobienW J. Anal. Chim. Acta本田crm250, 1990, 233: 213～222