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8.4: Polaridad de enlace y electronegatividad

                 

 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • Para definir la electronegatividad y la polaridad de enlace
  •      

  • Para calcular el carácter iónico porcentual de un enlace polar covalente
  •  

 

 

Los pares de electrones compartidos entre dos átomos no se comparten necesariamente por igual. Por ejemplo, mientras el par de electrones de enlace se comparte por igual en el enlace covalente en (Cl_2 ), en (NaCl ) el electrón 3s se elimina del átomo de Na y se incorpora a la estructura electrónica del átomo de Cl, y el compuesto se describe con mayor precisión como consistente en iones individuales (Na ^ + ) y (Cl ^ – ) (enlace iónico). Para la mayoría de las sustancias covalentes, su carácter de enlace cae entre estos dos extremos. Como se demuestra a continuación, la polaridad del enlace es un concepto útil para describir el intercambio de electrones entre átomos dentro de un enlace covalente:

 

         

  • Un enlace covalente no polar es uno en el que los electrones se comparten por igual entre dos átomos.
  •      

  • Un enlace covalente polar es uno en el que un átomo tiene una mayor atracción por los electrones que el otro átomo . Si esta atracción relativa es lo suficientemente grande, entonces el enlace es un enlace iónico .
  •  

 

Electronegatividad

 

Los elementos con las energías de ionización más altas son generalmente aquellos con las afinidades electrónicas más negativas, que se encuentran en la esquina superior derecha de la tabla periódica. Por el contrario, los elementos con las energías de ionización más bajas son generalmente aquellos con las afinidades electrónicas menos negativas y se encuentran en la esquina inferior izquierda de la tabla periódica.

 

Debido a que la tendencia de un elemento a ganar o perder electrones es tan importante para determinar su química, se han desarrollado varios métodos para describir cuantitativamente esta tendencia. El método más importante utiliza una medida llamada electronegatividad (representada por la letra griega chi , χ, pronunciada “ky” como en “cielo”), definida como la relativa capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo en un compuesto químico . Los elementos con altas electronegatividades tienden a adquirir electrones en las reacciones químicas y se encuentran en la esquina superior derecha de la tabla periódica. Los elementos con baja electronegatividad tienden a perder electrones en las reacciones químicas y se encuentran en la esquina inferior izquierda de la tabla periódica.

 

A diferencia de la energía de ionización o la afinidad electrónica, la electronegatividad de un átomo no es una propiedad simple y fija que se puede medir directamente en un solo experimento. De hecho, la electronegatividad de un átomo debería depender en cierta medida de su entorno químico porque las propiedades de un átomo están influenciadas por sus vecinos en un compuesto químico. Sin embargo, cuando se comparan diferentes métodos para medir la electronegatividad de un átomo, todos tienden a asignar valores relativos similares a un elemento dado. Por ejemplo, todas las escalas predicen que el flúor tiene la mayor electronegatividad y el cesio el más bajo de los elementos estables, lo que sugiere que todos los métodos miden la misma propiedad fundamental.

 

 

La electronegatividad se define como la capacidad de un átomo en una molécula particular para atraer electrones hacia sí mismo. Cuanto mayor es el valor, mayor es el atractivo para los electrones.

 

 

La electronegatividad es una función de:

 

         

  1. la energía de ionización del átomo (qué tan fuertemente el átomo se aferra a sus propios electrones) y
  2.      

  3. la afinidad electrónica del átomo (qué tan fuertemente el átomo atrae a otros electrones).
  4.  

 

Ambas son propiedades del átomo aislado . Un elemento será altamente electronegativo si tiene una gran afinidad electrónica (negativa) y una alta energía de ionización (siempre endotérmica o positiva para átomos neutros). Por lo tanto, atraerá electrones de otros átomos y resistirá tener sus propios electrones atraídos.

 

La escala de electronegatividad de Pauling

 

La escala original de electronegatividad, desarrollada en la década de 1930 por Linus Pauling (1901–1994) se basó en mediciones de las fuerzas de los enlaces covalentes entre diferentes elementos. Pauling estableció arbitrariamente la electronegatividad del flúor en 4.0 (aunque hoy se ha refinado a 3.98), creando así una escala en la que todos los elementos tienen valores entre 0 y 4.0.

 

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Figura ( PageIndex {1} ): una gráfica de variación periódica de electronegatividad con número atómico para las primeras seis filas de la tabla periódica

 

Las variaciones periódicas en los valores de electronegatividad de Pauling se ilustran en las Figuras ( PageIndex {1} ) y ( PageIndex {2} ). Si ignoramos los gases inertes y los elementos para los que no se conocen isótopos estables, vemos que el flúor ( ( chi = 3.98 )) es el elemento más electronegativo y el cesio es el elemento no radiactivo menos electronegativo ( ( chi = 0.79 )). Debido a que las electronegatividades generalmente aumentan diagonalmente desde la parte inferior izquierda a la parte superior derecha de la tabla periódica, los elementos que se encuentran en líneas diagonales que van desde la parte superior izquierda a la inferior derecha tienden a tener valores comparables (por ejemplo, O y Cl y N, S y Br).

 

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Figura ( PageIndex {2} ) : Pauling valores de electronegatividad de los s -, p -, d -, y f -Block Elements. Los valores para la mayoría de los actínidos son aproximados. Los elementos para los que no hay datos disponibles se muestran en gris. Fuente: Datos de L. Pauling, La naturaleza del enlace químico , 3ª ed. (1960)

 

 

 

Linus Pauling (1901-1994)

 

Cuando tenía nueve años, el padre de Pauling murió y su madre trató de convencerlo de que abandonara la escuela para mantener a la familia. No abandonó la escuela, pero luego se le negó el título de bachillerato y tuvo que trabajar en varios trabajos para ingresar a la universidad. Pauling se convertiría en uno de los químicos más influyentes del siglo, si no todos los tiempos. Ganó dos premios Nobel, uno para química en 1954 y otro para la paz en 1962.

 

 

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El método de Pauling está limitado por el hecho de que muchos elementos no forman compuestos covalentes estables con otros elementos; por lo tanto, sus electronegatividades no pueden medirse por su método. Desde entonces se han desarrollado otras definiciones que abordan este problema, por ejemplo, las escalas de electronegatividad Mulliken, Allred-Rochow y Allen. La electronegatividad de Mulliken de un elemento es el promedio de su primera energía de ionización y el valor absoluto de su afinidad electrónica, mostrando la relación entre la electronegatividad y estas otras propiedades periódicas.

 

Diferencias de electronegatividad entre metales y no metales

 

La electronegatividad de un elemento nos proporciona un valor único que podemos usar para caracterizar la química de un elemento. Los elementos con una alta electronegatividad (χ ≥ 2.2 en la Figura ( PageIndex {2} )) tienen afinidades muy negativas y grandes potenciales de ionización, por lo que generalmente son no metales y aislantes eléctricos que tienden a ganar electrones en las reacciones químicas (es decir, son oxidantes ). En contraste, los elementos con una baja electronegatividad ( ( chi le 1.8 )) tienen afinidades electrónicas que tienen valores negativos positivos o pequeños y pequeños potenciales de ionización, por lo que generalmente son metales y buenos conductores eléctricos que tienden a perder su valencia. electrones en reacciones químicas (es decir, son reductores ). Entre los metales y los no metales, a lo largo de la línea diagonal pesada que va de B a At hay un grupo de elementos con electronegatividades intermedias (χ ~ 2.0). Estos son los metaloides (o semimetales), elementos que tienen algunas de las propiedades químicas de los no metales y metales. La distinción entre metales y no metales es una de las más fundamentales que podemos hacer al clasificar los elementos y predecir su comportamiento químico. La Figura ( PageIndex {3} ) muestra la fuerte correlación entre los valores de electronegatividad, el carácter metálico versus el no metálico, y la ubicación en la tabla periódica.

 

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Figura ( PageIndex {3} ): Gráficos tridimensionales que demuestran la relación entre la electronegatividad y el carácter metálico / no metálico de los elementos. (a) Un gráfico de resistividad eléctrica (resistividad medida al flujo de electrones) a temperatura ambiente o cerca de ella muestra que las sustancias con alta resistividad (poco o ningún flujo de electrones medido) son aislantes eléctricos , mientras que las sustancias con baja resistividad ( alto flujo de electrones medido) son metales. (b) Un gráfico de electronegatividades de Pauling para un conjunto similar de elementos muestra que los valores altos de electronegatividad (≥ aproximadamente 2.2) se correlacionan con resistividades eléctricas altas (aislantes). Los valores bajos de electronegatividad (≤ aproximadamente 2.2) se correlacionan con bajas resistividades (metales). Debido a que la resistividad eléctrica generalmente se mide solo para sólidos y líquidos, los elementos gaseosos no aparecen en la parte (a).

 

 

Los valores de electronegatividad aumentan de abajo a la izquierda a arriba a la derecha en la tabla periódica.

 

 

Las reglas para asignar estados de oxidación se basan en las electronegatividades relativas de los elementos; Al elemento más electronegativo en un compuesto binario se le asigna un estado de oxidación negativa. Como veremos, los valores de electronegatividad también se utilizan para predecir energías de enlace, polaridades de enlace y los tipos de reacciones que experimentan los compuestos.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} ): aumento de la electronegatividad

 

Sobre la base de sus posiciones en la tabla periódica, organice Cl, Se, Si y Sr en orden de aumentar la electronegatividad y clasifique cada uno como un metal, un no metal o un metaloide.

 

Dado: cuatro elementos

 

Preguntado por: orden aumentando la electronegatividad y clasificación

  Estrategia:

 

         

  1. Localice los elementos en la tabla periódica. Desde sus posiciones diagonales desde la parte inferior izquierda a la superior derecha, predice sus electronegatividades relativas.
  2.      

  3. Organizar los elementos en orden creciente de electronegatividad.
  4.      

  5. Clasifique cada elemento como un metal, un no metal o un metaloide de acuerdo con su ubicación sobre el cinturón diagonal de metaloides que va de B a At.
  6.  

 

Solución:

 

A La electronegatividad aumenta de la parte inferior izquierda a la superior derecha en la tabla periódica (Figura 8.4.2). Debido a que Sr se encuentra muy a la izquierda de los otros elementos dados, podemos predecir que tendrá la electronegatividad más baja. Debido a que Cl se encuentra arriba ya la derecha de Se, podemos predecir que χ Cl > χ Se . Debido a que Si se encuentra más lejos de la esquina superior derecha que Se o Cl, su electronegatividad debería ser menor que las de Se y Cl pero mayor que la de Sr. B El orden general es, por lo tanto, χ Sr Si Se Cl .

 

C Para clasificar los elementos, observamos que Sr se encuentra bien a la izquierda del cinturón diagonal de metaloides que va de B a At; mientras Se y Cl se encuentran a la derecha y Si se encuentra en el medio. Podemos predecir que Sr es un metal, Si es un metaloide y Se y Cl no son metales.

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

Sobre la base de sus posiciones en la tabla periódica, organice Ge, N, O, Rb y Zr en orden de aumentar la electronegatividad y clasifique cada uno como un metal, un no metal o un metaloide.

 

     

Respuesta

     

     

Rb

     

 

 

 

Porcentaje de carácter iónico de un enlace polar covalente

 

Los dos extremos idealizados del enlace químico: (1) enlace iónico, en el que uno o más electrones se transfieren completamente de un átomo a otro, y los iones resultantes se mantienen unidos por fuerzas puramente electrostáticas, y (2) enlace covalente , en el que los electrones se comparten por igual entre dos átomos. Sin embargo, la mayoría de los compuestos tienen enlaces covalentes polares, lo que significa que los electrones se comparten de manera desigual entre los átomos unidos. La figura ( PageIndex {4} ) compara la distribución de electrones en un enlace covalente polar con aquellos en un enlace idealmente covalente e idealmente iónico. Recuerde que se usa un delta griego en minúscula ( ( delta )) para indicar que un átomo unido posee una carga positiva parcial, indicada por ( delta ^ + ), o una carga negativa parcial, indicada por ( delta ^ – ), y un enlace entre dos átomos que poseen cargas parciales es un enlace polar.

 

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Figura ( PageIndex {4} ) : La distribución de electrones en un enlace covalente no polar, un enlace covalente polar y un enlace iónico utilizando estructuras de electrones de Lewis. En un enlace puramente covalente (a), los electrones de enlace se comparten por igual entre los átomos. En un enlace puramente iónico (c), un electrón ha sido transferido completamente de un átomo al otro. Un enlace covalente polar (b) es intermedio entre los dos extremos: los electrones de enlace se comparten de manera desigual entre los dos átomos, y la distribución de electrones es asimétrica, siendo la densidad de electrones mayor alrededor del átomo más electronegativo. Las regiones ricas en electrones (carga negativa) se muestran en azul; Las regiones pobres en electrones (carga positiva) se muestran en rojo.

 

Polaridad de enlace

 

La polaridad de un enlace —la medida en que es polar— está determinada en gran medida por las electronegatividades relativas de los átomos unidos. La electronegatividad (χ) se definió como la capacidad de un átomo en una molécula o un ion para atraer electrones hacia sí mismo. Por lo tanto, existe una correlación directa entre la electronegatividad y la polaridad del enlace. Un enlace es no polar si los átomos unidos tienen electronegatividades iguales. Sin embargo, si las electronegatividades de los átomos unidos no son iguales, el enlace está polarizado hacia el átomo más electronegativo. Un enlace en el que la electronegatividad de B (χ B ) es mayor que la electronegatividad de A (χ A ), por ejemplo, se indica con la carga negativa parcial en el electronegativo más átomo:

 

[ begin {matrix}
_{Menos; electronegativo} & & _ {más ; electronegativo} \
 UNA; ; & – & B ; ; ; ; \
^ { delta ^ {+}} & & ^ { delta ^ {-}}
end {matrix} label {8.4.1} ]

 

Una forma de estimar el carácter iónico de un enlace, es decir, la magnitud de la separación de carga en un enlace covalente polar, es calcular la diferencia en electronegatividad entre los dos átomos: Δχ = χ B [19459056 ] – χ A .

 

Para predecir la polaridad de los enlaces en Cl 2 , HCl y NaCl, por ejemplo, observamos las electronegatividades de los átomos relevantes: χ Cl = 3.16, χ H = 2,20, y χ Na = 0,93. Cl 2 debe ser no polar porque la diferencia de electronegatividad (Δχ) es cero; por lo tanto, los dos átomos de cloro comparten los electrones de enlace por igual. En NaCl, Δχ es 2.23. Este alto valor es típico de un compuesto iónico (Δχ ≥ ≈1.5) y significa que el electrón de valencia del sodio se ha transferido completamente al cloro para formar iones Na + y – . En HCl, sin embargo, Δχ es solo 0.96. Los electrones de enlace se sienten más atraídos por el átomo de cloro más electronegativo, por lo que la distribución de carga es

 

[ begin {matrix}
_ { delta ^ {+}} & & _ { delta ^ {-}} \
 H ; ; & – & Cl
end {matriz} ]

 

Recuerde que las electronegatividades son difíciles de medir con precisión y las diferentes definiciones producen números ligeramente diferentes. En la práctica, la polaridad de un enlace generalmente se estima en lugar de calcularse.

 

 

La polaridad de enlace y el carácter iónico aumentan con una diferencia creciente en la electronegatividad.

 

 

Al igual que con las energías de enlace, la electronegatividad de un átomo depende en cierta medida de su entorno químico. Por lo tanto, es poco probable que las electronegatividades informadas de un átomo de cloro en NaCl, Cl 2 , ClF 5 y HClO 4 sean exactamente las mismas.

 

Momentos dipolares

 

La distribución de carga asimétrica en una sustancia polar como el HCl produce un momento dipolar donde (Qr ) en metros (m). se abrevia con la letra griega mu (µ). El momento dipolar se define como el producto de la carga parcial Q en los átomos unidos y la distancia r entre las cargas parciales:

 

[ mu = Qr label {8.4.2} ]

 

donde Q se mide en coulombs (C) y r en metros. La unidad para los momentos dipolares es la debye (D):

 

[1 ; D = 3.3356 por 10 ^ {- 30} ; C cdot · m label {8.4.3} ]

 

Cuando una molécula con un momento dipolar se coloca en un campo eléctrico, tiende a orientarse con el campo eléctrico debido a su distribución de carga asimétrica (Figura ( PageIndex {4} )).

 

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Figura ( PageIndex {5} ): Moléculas que poseen un momento dipolar Alinearse parcialmente con un campo eléctrico aplicado. En ausencia de un campo (a), las moléculas de HCl están orientadas aleatoriamente. Cuando se aplica un campo eléctrico (b), las moléculas tienden a alinearse con el campo, de modo que el extremo positivo del dipolo molecular apunta hacia el terminal negativo y viceversa.

 

Podemos medir las cargas parciales en los átomos de una molécula como el HCl usando la ecuación ( ref {8.4.2} ). Si el enlace en HCl fuera puramente iónico, se transferiría un electrón de H a Cl, por lo que habría una carga completa de +1 en el átomo de H y una carga completa de -1 en el átomo de Cl. El momento dipolar del HCl es 1.109 D, según se determina midiendo la extensión de su alineación en un campo eléctrico, y la distancia informada de la fase gaseosa H-Cl es 127.5 pm. Por lo tanto, la carga en cada átomo es

 

[Q = dfrac { mu} {r} = 1.109 ; cancel {D} left ( dfrac {3.3356 times 10 ^ {- 30} ; C cdot cancel {m} } {1 ; cancel {D}} right) left ( dfrac {1} {127.8 ; cancel {pm}} right) left ( dfrac {1 ; cancel {pm}} {10 ^ {- 12 ;} cancel {m}} right) = 2.901 times 10 ^ {- 20} ; C label {8.4.4} ]

 

Al dividir este valor calculado por la carga en un solo electrón (1.6022 × 10 −19 C), encontramos que la distribución de electrones en HCl es asimétrica y que efectivamente parece que hay una red carga negativa en el Cl de aproximadamente −0,18, que corresponde efectivamente a aproximadamente 0,18 e . Esto ciertamente no significa que haya una fracción de un electrón en el átomo de Cl, sino que la distribución de la probabilidad de electrones favorece el lado del átomo de Cl de la molécula en aproximadamente esta cantidad.

 

[ dfrac {2.901 veces 10 ^ {- 20} ; cancel {C}} {1.6022 times 10 ^ {- 19} ; cancel {C}} = 0.1811 ; e ^ {-} label {8.4.5} ]

 

Para formar un compuesto neutro, la carga en el átomo de H debe ser igual pero opuesta. Por lo tanto, el momento dipolar medido de HCl indica que el enlace H – Cl tiene aproximadamente un 18% de carácter iónico (0.1811 × 100), o un 82% de carácter covalente. En lugar de escribir HCl como

 

[ begin {matrix}
_ { delta ^ {+}} & & _ { delta ^ {-}} \
 H ; ; & – & Cl
end {matriz} ]

 

por lo tanto, podemos indicar la separación de carga cuantitativamente como

 

[ begin {matrix}
_ {0.18 delta ^ {+}} & & _ {0.18 delta ^ {-}} \
 H ; ; & – & Cl
end {matriz} ]

 

Nuestros resultados calculados están de acuerdo con la diferencia de electronegatividad entre hidrógeno y cloro χ H = 2,20; χ Cl = 3.16, χ Cl – χ H = 0.96), un valor dentro del rango para enlaces covalentes polares. Indicamos el momento dipolar escribiendo una flecha sobre la molécula. Matemáticamente, los momentos dipolares son vectores, y poseen una magnitud y una dirección. El momento dipolar de una molécula es la suma vectorial de los dipolos de los enlaces individuales. En HCl, por ejemplo, el momento dipolar se indica de la siguiente manera:

 

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La flecha muestra la dirección del flujo de electrones apuntando hacia el átomo más electronegativo.

 

La carga en los átomos de muchas sustancias en la fase gaseosa se puede calcular utilizando momentos dipolares medidos y distancias de enlace. La Figura ( PageIndex {6} ) muestra una gráfica del porcentaje de carácter iónico versus la diferencia en la electronegatividad de los átomos unidos para varias sustancias. Según el gráfico, la unión en especies como NaCl (g) y CsF (g) es sustancialmente menor al 100% de carácter iónico. Sin embargo, a medida que el gas se condensa en un sólido, las interacciones dipolo-dipolo entre especies polarizadas aumentan las separaciones de carga. En el cristal, por lo tanto, un electrón se transfiere del metal al no metal, y estas sustancias se comportan como compuestos iónicos clásicos. Los datos en la Figura ( PageIndex {6} ) muestran que las especies diatómicas con una diferencia de electronegatividad de menos de 1.5 tienen menos del 50% de carácter iónico, lo cual es consistente con nuestra descripción anterior de estas especies que contienen enlaces covalentes polares. El uso de momentos dipolares para determinar el carácter iónico de un enlace polar se ilustra en el Ejemplo ( PageIndex {2} ).

 

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Figura ( PageIndex {6} ): Una representación gráfica del porcentaje del carácter iónico de un enlace, determinado a partir de los momentos dipolo medidos frente a la diferencia en la electronegatividad del enlace Átomos En la fase gaseosa, incluso CsF, que tiene la mayor diferencia posible en electronegatividad entre átomos, no es 100% iónico. Sin embargo, CsF sólido se ve mejor como 100% iónico debido a las interacciones electrostáticas adicionales en la red.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {2} )

 

En la fase gaseosa, NaCl tiene un momento dipolar de 9.001 D y una distancia de Na-Cl de 236.1 pm. Calcule el porcentaje de caracteres iónicos en NaCl.

 

Dado: especies químicas, momento dipolar y distancia internuclear

 

Preguntado por: carácter iónico porcentual

 

Estrategia:

 

A Calcule la carga en cada átomo utilizando la información dada y la ecuación ( ref {8.4.2} ).

 

B Halla el porcentaje de caracteres iónicos a partir de la relación entre la carga real y la carga de un solo electrón.

 

Solución:

 

A La carga en cada átomo viene dada por

 

[Q = dfrac { mu} {r} = 9.001 ; cancel {D} left ( dfrac {3.3356 times 10 ^ {- 30} ; C cdot cancel {m} } {1 ; cancel {D}} right) left ( dfrac {1} {236.1 ; cancel {pm}} right) left ( dfrac {1 ; cancel {pm}} {10 ^ {- 12 ;} cancel {m}} right) = 1.272 times 10 ^ {- 19} ; C ]

 

Por lo tanto, el NaCl se comporta como si tuviera cargas de 1.272 × 10 −19 C en cada átomo separado por 236.1 pm.

 

B El porcentaje de carácter iónico viene dado por la relación entre la carga real y la carga de un solo electrón (la carga esperada para la transferencia completa de un electrón):

 

[% ; iónico; carácter = left ( dfrac {1.272 times 10 ^ {- 19} ; cancel {C}} {1.6022 times 10 ^ {- 19} ; cancel {C}} right) left (100 right) = 79.39 % simeq 79 % ]

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {2} )

 

En la fase gaseosa, el cloruro de plata (AgCl) tiene un momento dipolar de 6.08 D y una distancia de Ag-Cl de 228.1 pm. ¿Cuál es el porcentaje de carácter iónico en el cloruro de plata?

 

     

Respuesta

     

     

55,5%

     

 

 

 

Resumen

 

La polaridad de enlace y el carácter iónico aumentan con una diferencia creciente en la electronegatividad. La electronegatividad (χ) de un elemento es la capacidad relativa de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo en un compuesto químico y aumenta diagonalmente desde la parte inferior izquierda de la tabla periódica hacia la parte superior derecha. La escala de electronegatividad de Pauling se basa en mediciones de las fuerzas de los enlaces covalentes entre diferentes átomos, mientras que la electronegatividad de un elemento de Mulliken es el promedio de su primera energía de ionización y el valor absoluto de su afinidad electrónica. Los elementos con una alta electronegatividad son generalmente no metales y aislantes eléctricos y tienden a comportarse como oxidantes en las reacciones químicas. Por el contrario, los elementos con baja electronegatividad son generalmente metales y buenos conductores eléctricos y tienden a comportarse como reductores en las reacciones químicas.

 

Los compuestos con enlaces covalentes polares tienen electrones que se comparten de manera desigual entre los átomos unidos. La polaridad de dicho enlace está determinada en gran medida por las electronegativitas relativas de los átomos unidos. La distribución de carga asimétrica en una sustancia polar produce un momento dipolar , que es el producto de las cargas parciales en los átomos unidos y la distancia entre ellos.