Taula d'electronegativitat explicada: concepte, història i escales principals

Un dels grans èxits a nivell científic va ser la classificació i organització dels elements químics. L'estudi de les propietats de la matèria es remunta al temps dels alquimistes; els científics d'aquesta àrea sempre van tenir present la importància d'establir un sistema de classificació que permetés el maneig ordenat dels elements que es tenien en coneixement a cada època.

Per això, després de molts intents, es va desenvolupar la coneguda taula d'electronegativitats, relacionada estretament amb la taula periòdica de Mendeléiev, la qual és el sistema més eficient de classificació i organització amb què fins ara comptem. En ella, els elements es troben disposats en funció dels seus propietats periòdiques i, entre elles, destaca l'electronegativitat, que és una mesura de la capacitat de combinació dels electrons de la seva darrera capa amb altres àtoms, però ja en parlarem amb més detall.

Què és l'electronegativitat?

Abans d'entrar de ple al tema, és important aclarir que tota la matèria es troba conformada per àtoms. L'àtom és la unitat elemental i indivisible de la matèria en els models clàssics, i consisteix en un nucli central al voltant del qual es distribueixen protons i neutrons al nucli i electrons en diferents nivells o capes d'energia. Són els electrons presents a la darrera capa de l'element, anomenats electrons de valència, els que determinen la capacitat de cada material per formar compostos.

Això és el que defineix l'electronegativitat: la tendència d'un àtom a atraure cap a si els electrons que comparteix amb un altre àtom quan es forma un enllaç químic. És a dir, l'electronegativitat mesura la possibilitat de l'àtom per fer combinació mitjançant enllaços amb altres àtoms i què tan fort atrau els electrons compartits.

Des del punt de vista pràctic, l'electronegativitat:

permet predir el tipus d'enllaç (iònic, covalent polar o covalent no polar) que es formarà entre dos àtoms.
Ajuda a entendre la polaritat de les molècules i com s'hi distribueix la càrrega elèctrica parcial.
Influeix a la reactivitat química dels elements i compostos, condicionant què tan fàcil guanyen o cedeixen electrons a les reaccions.

Aquest procés es troba definit principalment per l‟acció de dues magnituds relacionades amb l‟estructura atòmica:

Massa atòmica: és la massa total de protons i neutrons en un sol àtom. Una massa atòmica més gran sol associar-se a un ràdio atòmic major, la qual cosa afecta la força amb què el nucli atrau els electrons de valència.
Electrons de valència: són les partícules amb càrrega negativa ubicades a la darrera capa de l'àtom, que constitueixen la quantitat de partícules disponibles per realitzar l'intercanvi en la formació de compostos. Com més a prop estigui aquesta capa del nucli i més carregat estigui aquest, més gran serà l'electronegativitat.

A més d'aquests factors, també hi influeixen la càrrega nuclear efectiva (l'atracció real que sent un electró de valència pel nucli, tenint en compte l'apantallament dels electrons interns) i el ràdio atòmic. Un radi més petit i una càrrega nuclear efectiva més gran impliquen, normalment, una electronegativitat més alta.

Desenvolupament de la taula d'electronegativitats

En la recerca d'una classificació adequada dels elements, molts científics van desenvolupar idees al voltant del que podria resultar un sistema adequat, a través del qual es pogués accedir als elements en una forma ordenada, prenent en consideració els seus elements. propietats químiques i físiques. Aquest camí, amb encerts i errors, va conduir a la construcció gradual de la taula periòdica i, més tard, a la quantificació de l'electronegativitat mitjançant diferents escales.

Els següents científics van realitzar aportacions importants que van contribuir a el desenvolupament de l'actual taula d'electronegativitats:

Antoine Lavoisier: La classificació realitzada per aquest científic dels elements va ser realitzada de forma relativament arbitrària, sense tenir en compte un criteri de periodicitat ben definit, per la qual cosa la seva classificació no va tenir gran èxit per predir propietats. Tot i això, va suposar un punt de partida per diferenciar substàncies simples i compostes.
Johann Dobereiner: Aquest científic és conegut pel desenvolupament de les triades de Dobereiner. Va desenvolupar un estudi en què va agrupar elements en grups de tres, trobant, en fer comparacions, que les seves masses atòmiques relatives (les quals es determinen mitjançant un espectròmetre de massa) i certs valors de les seves propietats físiques guardaven relació entre si. Per això es podien predir per mitjà d'aproximacions matemàtiques. El químic britànic John Newlands va treballar sobre la base desenvolupada per Dobereiner, i així va aconseguir ordenar els elements en una taula amb agrupacions d'elements de masses atòmiques relatives de forma creixent; amb aquesta agrupació, el britànic buscava desenvolupar una taula on s'observés un patró de repeticions periòdiques propietats físiques dels elements. Atès que aquestes repeticions van ser agrupades al voltant de 8 elements, se'ls va denotar amb el nom de "Llei de les octaves".
Lothar Meyer: Se'l coneix per ampliar el coneixement en el camp de l'estudi de la relació entre propietats físiques i atòmiques dels components. Va representar gràficament el volum atòmic davant de la massa atòmica i va observar la periodicitat de les propietats. El seu treball va ser complementari, i alhora independent, del treball elaborat per Mendeléiev.
Dmitri Mendeléiev: Basant-se en els postulats de la llei periòdica, aquest científic va desenvolupar el treball de classificació d'elements més encertat, i que encara continua estant en vigència (amb modificacions, en què s'han afegit els nous elements descoberts). Va classificar els elements tenint en compte, principalment, els seus masses atòmiques i propietats químiques, i va tenir la visió de deixar caselles on no encaixava cap element, preveient que allà encaixaria un element que encara no havia estat descobert. Els elements coneguts que s'escapaven de paràmetres d'ordre van ser anotats a part, en lloc de ser inclosos en forma arbitrària (error comès per Lavoisier i Newlands). Més endavant, amb l'avenç de la teoria quàntica i dels conceptes d'afinitat electrònica i energies d'ionització, es va poder relacionar la posició a la taula amb la electronegativitat.

Pel que fa a l'electronegativitat dins de la taula, es té per regla general:

L'electronegativitat és un valor que s'incrementa en desplaçar-se d'esquerra a dreta en un mateix període, a causa de l'augment de la càrrega nuclear efectiva.
L'electronegativitat disminueix en baixar en un mateix grup, perquè el radi atòmic augmenta i els electrons de valència es troben més lluny del nucli.
Els elements que es troben a la part superior dreta de la taula (exceptuant els gasos nobles) presenten els valors d'electronegativitat més alts, i el fluor és l'element més electronegatiu.

L'electronegativitat a la taula periòdica

L'electronegativitat d'un element depèn de diversos factors, com ara nombre atòmic, Per mida o radi atòmic i la seva càrrega nuclear. En general, els elements molt electronegatius, com els no metalls ubicats cap a la dreta de la taula periòdica, tendeixen a guanyar electrons fàcilment, formant anions. En canvi, els elements poc electronegatius, com la majoria dels metalls, tendeixen a cedir electrons i formar cations.

Les diferències en electronegativitat afecten notablement les propietats químiques i físiques dels compostos. Un parell d'exemples importants:

Quan la diferència d'electronegativitat entre dos àtoms és gran, es tendeix a formar enllaços iònics, caracteritzats per la transferència gairebé completa d'electrons d'un àtom a un altre.
Quan la diferència és moderada o petita, es formen enllaços covalents, en què els àtoms comparteixen electrons; si la diferència no és nul·la, lenllaç serà covalent polar i la distribució de càrrega serà desigual.

A la taula periòdica s'observen les següents tendències generals d'electronegativitat:

Els no metalls solen tenir electronegativitats més altes que els metalls. Per exemple, el fluor (F) té l'electronegativitat més alta, mentre que elements com el cesi (Cs) o el franci (Fr) presenten valors molt baixos.
L'electronegativitat augmenta al llarg d'un període (d'esquerra a dreta), a causa de l'augment de la càrrega nuclear que atrau amb més força els electrons enllaçants.
L'electronegativitat disminueix en baixar en un grup (de dalt a baix), perquè el radi atòmic augmenta i els electrons de valència estan més allunyats del nucli, afeblint l'atracció.
Els gasos nobles presenten en general una electronegativitat molt baixa o pràcticament nul·la a l'escala de Pauling, ja que posseeixen la capa de valència completa i no tendeixen a guanyar ni a perdre electrons.

Com a referència, alguns valors aproximats d'electronegativitat a l'escala de Pauling són:

Fluor (F): 3,98
Oxigen (O): 3,44
Nitrogen (N): 3,04
Clor (Cl): 3,16
Carboni (C): 2,55
Hidrogen (H): 2,20
Sodi (Na): 0,93
Calci (Ca): 1,00
Franci (Fr): 0,70

Aquests valors ajuden a entendre ràpidament quins elements tendeixen a atraure més els electrons (com el fluor o oxigen) i quins els cedeixen amb facilitat (com el sodi o el franci).

Escales d'electronegativitats

Els diferents valors de l'electronegativitat determinen el tipus d'enllaç format, per això l'estudi d'aquest procés va ser objecte de l'interès i es van desenvolupar diferents escales quantitatives. Les més conegudes són l'escala de Pauling i l'escala de Mulliken.

Escala de Pauling: Segons els estudis de Linus Pauling, es va establir que l'electronegativitat és una propietat relativa i variable, ja que depèn en part de l'estat d'oxidació de l'element i de l'entorn químic. Les seves observacions van permetre determinar que, si se n'efectuava una diferència entre les electronegativitats de dos àtoms, es podia predir el tipus denllaç que es formaria, ja que va establir una escala numèrica basada en les energies denllaç.

A l'escala de Pauling, el fluor es pren com a element més electronegatiu, amb un valor proper a 3,98, ia partir d'aquest es calculen els valors d'altres elements. Amb aquesta escala es poden establir criteris generals:

Enllaç iònic: diferència d'electronegativitat superior o igual a 1,7. Aquest enllaç usualment ocorre entre elements metàl·lics (poca electronegativitat) i no metàl·lics (alta electronegativitat).
Enllaç covalent polar: quan la diferència es troba a l'interval de aproximadament 0,4-1,7. En aquest cas, els electrons es comparteixen, però es desplacen més cap a l'àtom més electronegatiu, generant dipols elèctrics parcials.
Enllaç covalent no polar: per a diferències iguals o inferiors a 0,4. Els electrons es comparteixen de manera pràcticament igual, sense generació de càrregues parcials significatives.

Aquests rangs són aproximats, però resulten molt útils per predir el comportament dels enllaços i la polaritat de les molècules.

Escala de Mulliken: Està basada en la afinitat electrònica dels elements, que defineix la seva tendència a adquirir càrrega negativa i per tant la seva capacitat d'acceptar electrons, i als potencials d'ionització, que determinen la predisposició de l'element a prendre una càrrega positiva (els elements amb càrrega positiva són aquells que donen electrons de la darrera capa). A l'escala de Mulliken, l'electronegativitat es calcula com el mitjana de l'energia d'ionització i l'afinitat electrònica un element. Aquesta escala treballa amb valors promig expressats en unitats denergia, i posteriorment es poden convertir a una escala comparable amb la de Pauling.

Encara que hi ha altres escales (com la d'Allred-Rochow, basada en la força electrostàtica sobre els electrons de valència), la de Pauling continua sent la més utilitzada en docència i taules periòdiques per la seva senzillesa i facilitat per interpretar tendències.

Exemples pràctics d'electronegativitat i importància

Per comprendre millor la utilitat de l'electronegativitat, és útil observar-ne alguns exemples concrets d'elements i com aquest valor condiciona les propietats:

Hidrogen (H): té una electronegativitat d'aproximadament 2,2 a l'escala de Pauling. És el element més lleuger de la taula periòdica i es pot comportar de manera similar als metalls alcalins (cedint el seu únic electró) o als halògens (compartint o guanyant un electró), depenent del context de l'enllaç.
Carboni (C): amb electronegativitat al voltant de 2,55, forma nombrosos enllaços covalents i és la base de la química orgànica. El seu valor intermedi us permet compartir electrons de manera relativament equilibrada amb molts elements, generant estructures molt diverses.
Nitrogen (N): presenta una electronegativitat d'uns 3,04 i pertany al grup dels no metalls. Tendeix a guanyar electrons o compartir-los fortament, cosa que explica la gran estabilitat de molècules com el nitrogen molecular (N₂).
Oxigen (O): amb electronegativitat 3,44, atrau amb força els electrons compartits. Això explica la polaritat de l'aigua (H₂O) on l'oxigen adquireix càrrega parcial negativa i els hidrògens parcial positiva.
Gasos nobles (per exemple, neó, Ne): en posseir capes de valència completes, mostren electronegativitat extremadament baixa a l'escala de Pauling, al punt de considerar-se pràcticament nul·la en molts casos, perquè amb prou feines formen enllaços químics.

Conèixer l'electronegativitat i les tendències a la taula periòdica permet a estudiants i professionals de la química visualitzar la taula com un autèntic “llibre de receptes”: a partir de la posició d'un element, es pot deduir com es comportarà davant d'altres, quin tipus d'enllaç formarà i com serà la distribució de càrregues dins de les molècules resultants.

D'aquesta manera, l'electronegativitat es converteix en una eina essencial per a entendre l'estructura molecular, la reactivitat i la naturalesa dels enllaços que es formen entre els àtoms, tant en sistemes inorgànics com orgànics i bioquímics.

Comprendre què és l'electronegativitat, com varia a la taula periòdica i com es relaciona amb les diferents escales proposades per la química moderna permet interpretar millor les reaccions químiques quotidianes, des de la formació de sals i òxids fins al comportament de l'aigua, els àcids, les bases i les molècules orgàniques presents a organismes vius i materials tecnològics.