Elektronegativitet är en av de mest välkända modellerna för att förklara varför kemiska reaktioner sker. Martin Rahm, forskarassistent inom fysikalisk kemi på Chalmers omdefinierar nu elektronegativitet i grunden med en ny, mer omfattande, skala. Tillsammans med bland annat en nobelpristagare publicerar han studien i tidskriften Journal of the American Chemical Society.

Electronegativity Redefined: Den nya skalan omfattar 96 grundämnen, vilket är en markant ökning jämfört med flera tidigare skalor. (Illustration: Martin Rahm/Chalmers)

Teorin kring 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. Detta är mycket viktigt för förståelsen av alla möjliga typer av material och för att kunna designa nya. Elektronegativitet är ett centralt koncept som dagligen används av kemister och materialforskare över hela världen. Konceptet har sitt ursprung i den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius forskning på 1800-talet, och lärs ofta ut till elever redan på högstadiet.
Martin Rahm, forskarassistent inom fysikalisk kemi på Chalmers, har nu utvecklat en helt ny elektronegativitetsskala.
– Den nya definitionen är den genomsnittliga bindningsenergin av de yttersta och svagast bundna elektronerna, de så kallade valenselektronerna. Vi har tagit fram värdena 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.
Bland annat har både syre och krom flyttats i rangordningen i förhållande till närliggande ämnen i det periodiska systemet. Den nya 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.
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.

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 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.
– Det är en omfattande skala som jag tror och hoppas kommer att 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.
Martin Rahms artikel, Electronegativity Seen as the Ground-State Average Valence Electron Binding Energy har publicerats i Journal of the American Chemical Society. Studien genomfördes tillsammans med kollegorna Roald Hoffmann, nobelpristagare i kemi, verksam vid Cornell University i USA och Tao Zeng vid Carleton University i Kanada.

Periodiska systemet där de 96 första grundämnena visas enligt den nya elektronegativitetsskalan. Bilden kommer från artikeln i the Journal of the American Chemical Society. Klicka för större bild

Filed under: SvenskTeknik