Escala de Pauling: concepto, electronegatividad y diferencia de energía
¿Qué es la escala de Pauling?
La escala de Pauling es una escala arbitraria usada en química para expresar la electronegatividad de los elementos. Esta se define como la tendencia de un cierto átomo a atraer electrones cuando se combina con otro átomo.
En tal sentido, los elementos poseedores de alta electronegatividad tienden a ganar electrones con facilidad. Estos son los no metales, mientras que por su parte, a los elementos menos electronegativos como los metales, les es más fácil ceder electrones.
Por lo tanto, conociendo la electronegatividad de un elemento se tiene una idea del tipo de enlace que es capaz de formar al combinarse con otro. Veremos esto con un ejemplo numérico más adelante.
Con esta información se pueden predecir muchas de las propiedades que tendrá un compuesto, algo muy útil en la química experimental y para la ciencia de los materiales, donde continuamente se están creando compuestos novedosos.
No obstante, es conveniente aclarar que pese a lo importante que es, no hay una manera única de determinar la electronegatividad; la escala de Pauling es solamente una de las diversas formas propuestas para encontrarla, aunque es de las más usadas.
De hecho, la de Pauling es una escala arbitraria en la cual se asigna un valor numérico a cada elemento de la tabla periódica, el cual refleja su electronegatividad. Lo vemos en la figura 1, donde se tiene la electronegatividad de cada elemento, tal como fue asignada por el dos veces premio Nobel Linus Pauling (1901-1994) hacia 1939.
La electronegatividad de los elementos
Pauling, junto a Don M. Yost, halló los valores de electronegatividad de manera empírica, a través de datos experimentales que obtuvo midiendo las energías de enlace.
Pauling asignó al elemento flúor -arriba y a la derecha de la tabla de la figura 1- la electronegatividad más alta, con el número 4.0. Entonces, cuando el flúor forma enlaces, exhibe la tendencia más alta a atraer electrones de entre todos los elementos.
En segundo lugar está el oxígeno, con 3.5 y en tercer lugar está el nitrógeno con 3.0. Ambos se encuentran ubicados arriba y hacia la derecha de la tabla.
Por otro lado, en el extremo opuesto, el elemento menos electronegativo es el cesio, cuyo símbolo es Cs, ubicado a la izquierda de la tabla, al cual Pauling asignó el número 0.7.
Electronegatividad en la tabla periódica
En líneas generales y como se observa en la figura 1, la electronegatividad -y la energía de ionización- aumenta de izquierda a derecha en la tabla periódica. La tendencia general también indica una disminución al desplazarse de arriba hacia abajo.
Por lo tanto los elementos más electronegativos los tendremos en el ángulo superior derecho de la tabla: flúor, oxígeno, cloro, nitrógeno. Los menos electronegativos -o los más electropositivos si se prefiere- se encontrarán a la izquierda: litio, sodio, potasio y los demás elementos del grupo 1 -la columna de la extrema izquierda, correspondiente a los metales alcalinos y alcalinotérreos-.
En cada columna la electronegatividad disminuye al aumentar el número atómico del elemento, salvo en los metales de transición en el centro, que no siguen esta tendencia.
Un punto importante a destacar es que la electronegatividad es relativa, no es una propiedad invariable de cada elemento, y solo se mide respecto de la de otros elementos. Depende mucho del estado de oxidación, así que un mismo elemento puede exhibir distinta electronegatividad, según el tipo de compuesto que forme.
Diferencia de energía de enlace
En química, un enlace es la manera en que se unen los átomos, iguales o diferentes, para formar moléculas. Entre los átomos aparecen fuerzas que los mantienen juntos de forma estable.
Existen varios tipos de enlace, pero acá se consideran dos:
- Covalente, en el cual átomos de electronegatividades semejantes comparten un par de electrones.
- Iónico, frecuente entre átomos con distintas electronegatividades en el que prevalece la atracción electrostática.
Supongamos que dos elementos A e B pueden formar moléculas entre sí, denotadas AA y BB. Y que también son capaces de unirse para formar un compuesto AB, todo ello mediante algún tipo de enlace.
Gracias a la participación de las fuerzas intermoleculares, en el enlace existe energía. Por ejemplo la energía en el enlace AA es EAA, en el enlace BB es EBB y finalmente en el compuesto AB es EAB.
Si la molécula AB se formara mediante un enlace covalente, teóricamente la energía de enlace es el promedio de las energías EAA y EBB:
EAB = ½(EAA + EBB)
Pauling calculó EAB para varios compuestos, la midió experimentalmente y determinó la diferencia entre ambos valores, al cual denominó Δ:
Δ = |(EAB)medido – (EAB)teórico| = |(EAB)medido – ½(EAA + EBB)|
Pauling razonó así: si Δ es muy cercano a 0, significa que las electronegatividades de ambos elementos son parecidas y el enlace que los une es covalente. Pero si Δ no es pequeño, entonces el enlace entre A y B no es covalente puro.
Cuanto mayor sea el valor absoluto de Δ, mayor es la diferencia entre la electronegatividad de los elementos A y B y por tanto el enlace que los une será de tipo iónico. Más adelante el lector encontrará un ejemplo en el que, calculando Δ, es posible determinar el tipo de enlace de un compuesto.
Ecuaciones para la electronegatividad
Partiendo de que la diferencia de energías es la señal que distingue la naturaleza del enlace, Pauling realizó muchos experimentos que le llevaron a crear una expresión empírica para las electronegatividades relativas de dos elementos A e B que forman una molécula.
Al denotar dicha electronegatividad como χ (letra griega “chi”), Pauling definió Δ del siguiente modo:
f2·Δ = [χ (A) – χ (B)]2
χ(A) – χ (B) = f√Δ=0.102√Δ
Nótese que Δ es una cantidad positiva. El factor f =0.102 que aparece multiplicando la raíz cuadrada de Δ es el factor de conversión entre kJ (kilojoules) y eV (electrón-voltio), ambas unidades de energía.
Si en cambio se utilizan kilocalorías y electrón-voltio, la diferencia de electronegatividades se expresa con una fórmula semejante pero con f =0.208:
χ (A) – χ (B) = 0.208√Δ
Pauling comenzó asignando al hidrógeno el valor de 2.1, un valor previo obtenido por el químico Robert Mulliken. Escogió este elemento como punto de partida porque forma enlaces covalentes con muchos otros.
Mediante la ecuación anterior, continuó asignando valores relativos al resto de los elementos. Se percató así de que la electronegatividad aumenta cuando se desplaza de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo en la tabla periódica, tal como se describió en el apartado anterior.
Ejemplo
A continuación se tiene una lista de elementos: N, J, Y y M y sus respectivas electronegatividades Χ conforme a la escala de Pauling:
–N: Χ=4.0
–J: Χ=1.5
–Y: Χ=0.9
–M: Χ=1.6
Entre los siguientes compuestos formados con ellos:
YJ, YN, MN y JM
Señale el que tenga mayor carácter iónico y aquel cuya naturaleza sea covalente. Razone su respuesta.
Solución
Según el criterio establecido por Pauling, el compuesto con mayor carácter iónico será el que tenga la mayor diferencia entre las electronegatividades, y por ende un mayor valor de Δ. Por su parte, el compuesto con menor diferencia de energía es el que posee enlace covalente.
Entonces calcularemos cuánto vale Δ para cada compuesto, de la siguiente manera:
Compuesto YJ
Δ = [χ (Y) – χ (J)]2 = (0.9 – 1.5)2 = 0.36
Compuesto YN
Δ = [χ (Y) – χ (N)]2 = (0.9 – 4.0)2 = 9.61
Compuesto MN
Δ = [χ (M) – χ (N)]2 = (1.6 – 4.0)2 = 5.76
Compuesto JM
Δ = [χ (J) – χ (M)]2 = (1.5 – 1.6)2 = 0.01
De los resultados anteriores se desprende que el compuesto de carácter iónico es el YN, cuyo Δ=9.61, mientras que el compuesto de carácter covalente es el JM, con Δ=0.01.