Elektronegativitet

Ny skala för elektronegativitet framtagen av chalmersforskare

​Elektronegativitet är en av de mest välkända modellerna för att förklara varför kemiska reaktioner sker. Nu omdefinieras elektronegativitet i grunden i en ny, mer omfattande, skala som publiceras i tidskriften Journal of the American Chemical Society. Bakom studien står, förutom en nobelpristagare, Martin Rahm som är forskarassistent inom fysikalisk kemi på Chalmers.

​Teorin kring elektronegativitet ger en grundläggande förståelse av hur grundämnen reagerar med varandra och bildar olika typer av material med olika egenskaper. Det är ett centralt koncept som dagligen används av kemister och materialforskare över hela världen. Konceptet i sig har sitt ursprung i den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius forskning på 1800-talet, och lärs ofta ut till elever redan på högstadiet.

Elektronegativitet beskriver hur starkt olika atomer attraherar elektroner. Med hjälp av elektronegativitetsskalor kan man snabbt, utan kvantmekaniska beräkningar eller spektroskopiska studier, förutspå en ungefärlig laddningsfördelning i olika molekyler och material. På detta sätt kan man även få en uppfattning om hur olika atomer och molekyler kan reagera när de förs samman. Detta är mycket viktigt för att förstå av alla möjliga typer av material och för att kunna designa nya.

Martin Rahm, forskarassistent inom fysikalisk kemi på Chalmers har nu tillsammans med kollegorna Toby Zeng vid Carlton University i Kanada och Roald Hoffmann, nobelpristagare i kemi 1981 och verksam vid

Cornell University i USA, utvecklat en helt ny elektronegativitetsskala, som de nyligen publicerat i the Journal of the American Chemical Society​. Den nya skalan är framtagen genom att kombinera experimentella fotojonisationsdata för atomer med kvantmekaniska beräkningar för de atomer där experiment saknas.


En motivation för forskarna att ta fram den nya skalan var att det visserligen finns flera olika definitioner på konceptet sedan tidigare, men att dessa enbart använts för att täcka upp delar av det periodiska systemet. En ytterligare utmaning för kemister är hur man kan förklara vad det innebär när elektronegativitet ibland misslyckas med att förutspå kemisk reaktivitet eller polaritet i kemiska bindningar.

– Det gamla och mycket användbara kemiska konceptet har nu fått en ny definition. Den nya definitionen är den genomsnittliga bindningsenergin av de yttersta och svagast bundna elektronerna, de så kallade valenselektronerna. Dessa värden har vi tagit fram genom att kombinera experimentella data med kvantmekaniska beräkningar. I stora drag förhåller sig ämnena på samma sätt som tidigare, men den nya definitionen har även lett till att några grundämnen har bytt plats i elektronegativitetsordningen. Vissa grundämnen har även fått sin elektronegativitet uträknad för första gången, säger Martin Rahm.

Bland annat har både syre och krom flyttats i rangordningen i förhållande till närliggande ämnen i det periodiska systemet. Skalan omfattar 96 grundämnen, vilket är en markant ökning jämfört med flera tidigare skalor. På detta sätt finns nu elektronegativitet att tillgå från den första atomen, väte eller H, till den nittiosjätte, curium, Cm.


Ytterligare en fördel med den nya definitionen av elektronegativitet är att den ingår i ett ramverk som kan hjälpa till att förklara varför vissa kemiska reaktioner inte styrs av elektronegativitet. Förklaringen till sådana reaktioner handlar ofta om elektronernas komplicerade växelverkan med varandra. Vad som i själva verket bestämmer utgången för de flesta kemiska reaktioner är förändringar i den totala energin. I sin förklaringsmodell presenterar forskarna en ekvation där den totala energin av en atom beskrivs som summan av två termer, där en term är elektronegativiteten och den andra beskriver elektronernas genomsnittliga växelverkan. Genom att beräkna hur storleken och tecknet på dessa termer förändras över en kemisk reaktion kan man förstå hur pass mycket elektronegativiten styr kemin. 

– Det är en omfattande skala som jag tror och hoppas kommer påverka forskning inom kemi och materialvetenskap. Elektronegativitet används rutinmässigt inom kemiforskning och med vår nya skala kommer arbetet underlättas då en mängd kvantmekaniska beräkningar kan undvikas. Den nya definitionen av elektronegativitet kommer även att kunna användas för att analysera elektronisk struktur som är kvantmekaniskt beräknad, genom att göra sådana resultat mer lättbegripliga, säger Martin Rahm.

Det finns oändligt många sätt att kombinera atomerna i det periodiska systemet och skapa nya material. Elektronegativitet ger en första viktig insikt i vad som kan förväntas från dessa kombinationer. Utveckling av olika typer av nya kemiska reaktioner och material kan komma att gå snabbare med den nya skalan som verktyg. Detta eftersom den nya definitionen möjliggör för kemisk intuition och förståelse som i sin tur kan hjälpa att guida både experiment samt tidskrävande kvantmekaniska beräkningar.

Som kuriosa kan nämnas att FN utsett år 2019 till Periodiska systemets år. Elektronegativitet ses ofta som en tredje dimension av det periodiska systemet.


Publicerad: to 20 dec 2018. Ändrad: to 17 jan 2019