Poziom wiedzy o budowie atomów i molekuł w XIX wieku nie pozwalał na wyjaśnienie, dlaczego atomy tworzą określoną liczbę wiązań z innymi cząsteczkami. Ale idee naukowców wyprzedziły swój czas, a wartościowość jest nadal badana jako jedna z podstawowych zasad chemii.
Z historii pojęcia „wartościowości pierwiastków chemicznych”
Wybitny angielski chemik XIX wieku Edward Frankland wprowadził termin „wiązanie” do użytku naukowego, aby opisać proces wzajemnego oddziaływania atomów. Naukowiec zauważył, że niektóre pierwiastki chemiczne tworzą związki o takiej samej liczbie innych atomów. Na przykład azot przyłącza trzy atomy wodoru w cząsteczce amoniaku.
W maju 1852 roku Frankland postawił hipotezę, że istnieje określona liczba wiązań chemicznych, które atom może utworzyć z innymi małymi cząsteczkami materii. Frankland użył wyrażenia „łącząca siła”, aby opisać to, co później nazwano wartościowością. Brytyjski chemik określił ilewiązania chemiczne tworzą znane w połowie XIX wieku atomy poszczególnych pierwiastków. Praca Franklanda była ważnym wkładem we współczesną chemię strukturalną.
Rozwijanie postaw
Niemiecki chemik F. A. Kekule udowodnił w 1857 roku, że węgiel jest czterozasadowym. W jego najprostszym związku - metanie - występują wiązania z 4 atomami wodoru. Naukowiec użył terminu „podstawa” na określenie właściwości pierwiastków do przyłączenia ściśle określonej liczby innych cząstek. W Rosji dane dotyczące struktury materii usystematyzował A. M. Butlerov (1861). Teoria wiązań chemicznych została dalej rozwinięta dzięki doktrynie okresowej zmiany właściwości pierwiastków. Jej autorem jest inny wybitny rosyjski chemik D. I. Mendelejew. Udowodnił, że wartościowość pierwiastków chemicznych w związkach i inne właściwości wynikają z ich pozycji w układzie okresowym.
Graficzne przedstawienie wartościowości i wiązania chemicznego
Możliwość wizualnej reprezentacji cząsteczek jest jedną z niewątpliwych zalet teorii wartościowości. Pierwsze modele pojawiły się w latach 60. XIX wieku, a od 1864 roku używa się wzorów strukturalnych, czyli okręgów ze znakiem chemicznym w środku. Pomiędzy symbolami atomów kreska oznacza wiązanie chemiczne, a liczba tych kresek jest równa wartości wartościowości. W tych samych latach powstały pierwsze modele kulowo-kijowe (patrz zdjęcie po lewej). W 1866 Kekule zaproponował stereochemiczny rysunek atomu.węgiel w postaci czworościanu, który umieścił w swoim podręczniku Chemia organiczna.
Walencję pierwiastków chemicznych i powstawanie wiązań badał G. Lewis, który opublikował swoje prace w 1923 roku po odkryciu elektronu. To nazwa najmniejszych ujemnie naładowanych cząstek, które są częścią powłok atomów. W swojej książce Lewis użył kropek wokół czterech boków symbolu pierwiastka chemicznego do przedstawienia elektronów walencyjnych.
Walencja dla wodoru i tlenu
Przed stworzeniem układu okresowego wartościowość pierwiastków chemicznych w związkach była zwykle porównywana z atomami, z których jest znana. Jako standardy wybrano wodór i tlen. Inny pierwiastek chemiczny przyciąga lub zastępuje pewną liczbę atomów H i O.
W ten sposób wyznaczono właściwości związków z jednowartościowym wodorem (wartościowość drugiego pierwiastka jest oznaczona cyfrą rzymską):
- HCl - chlor (I):
- H2O - tlen (II);
- NH3 - azot (III);
- CH4 - węgiel (IV).
W tlenkach K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 określały wartościowość tlenu metali i niemetali poprzez podwojenie liczby dodanych atomów O. Otrzymano następujące wartości: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Jak określić wartościowość pierwiastków chemicznych
Istnieją prawidłowości w tworzeniu wiązania chemicznego z udziałem wspólnego elektronupary:
- Typowa wartościowość wodoru to I.
- Zwykła wartościowość tlenu - II.
- Dla pierwiastków niemetalicznych najniższą wartościowość można określić za pomocą wzoru 8 - numer grupy, w której się znajdują w układzie okresowym. Najwyższy, jeśli to możliwe, jest określany przez numer grupy.
- Dla elementów drugorzędnych podgrup, maksymalna możliwa wartościowość jest taka sama jak ich numer grupy w układzie okresowym.
Wyznaczanie wartościowości pierwiastków chemicznych według wzoru związku odbywa się za pomocą następującego algorytmu:
- Wpisz znaną wartość jednego z pierwiastków powyżej znaku chemicznego. Na przykład w Mn2O7 wartościowość tlenu wynosi II.
- Oblicz całkowitą wartość, dla której musisz pomnożyć wartościowość przez liczbę atomów tego samego pierwiastka w cząsteczce: 27=14.
- Określ wartościowość drugiego elementu, dla którego jest nieznana. Podziel wartość uzyskaną w kroku 2 przez liczbę atomów Mn w cząsteczce.
- 14: 2=7. Wartościowość manganu w jego wyższym tlenku wynosi VII.
Stała i zmienna wartościowość
Wartości wartościowości wodoru i tlenu są różne. Na przykład siarka w związku H2S jest dwuwartościowa, a we wzorze SO3 jest sześciowartościowa. Węgiel tworzy tlenek CO i dwutlenek CO2 z tlenem. W pierwszym związku wartościowość C wynosi II, a w drugim IV. Ta sama wartość w metanie CH4.
Większośćpierwiastki wykazują nie stałą, ale zmienną wartościowość, na przykład fosfor, azot, siarka. Poszukiwanie głównych przyczyn tego zjawiska doprowadziło do powstania teorii wiązań chemicznych, koncepcji powłoki walencyjnej elektronów i orbitali molekularnych. Istnienie różnych wartości tej samej właściwości wyjaśniono z punktu widzenia budowy atomów i cząsteczek.
Nowoczesne pomysły dotyczące wartościowości
Wszystkie atomy składają się z dodatniego jądra otoczonego ujemnie naładowanymi elektronami. Zewnętrzna powłoka, którą tworzą, jest niedokończona. Ukończona struktura jest najbardziej stabilna, zawiera 8 elektronów (oktet). Pojawienie się wiązania chemicznego z powodu wspólnych par elektronów prowadzi do korzystnego energetycznie stanu atomów.
Zasadą tworzenia się związków jest uzupełnianie powłoki poprzez przyjmowanie elektronów lub oddawanie niesparowanych - w zależności od tego, który proces jest łatwiejszy. Jeśli atom tworzy wiązanie chemiczne ujemne cząstki, które nie mają pary, to tworzy tyle wiązań, ile ma niesparowanych elektronów. Według współczesnych koncepcji wartościowość atomów pierwiastków chemicznych to zdolność do tworzenia określonej liczby wiązań kowalencyjnych. Na przykład w cząsteczce siarkowodoru H2S siarka uzyskuje wartościowość II (–), ponieważ każdy atom bierze udział w tworzeniu dwóch par elektronów. Znak „–” wskazuje na przyciąganie pary elektronów do elementu bardziej elektroujemnego. W przypadku mniej elektroujemnej do wartości wartościowości dodaje się „+”.
Dzięki mechanizmowi donor-akceptor w procesie biorą udział pary elektronowe jednego pierwiastka i swobodne orbitale walencyjne innego pierwiastka.
Zależność wartościowości od struktury atomu
Spójrzmy na przykład węgla i tlenu, jak wartościowość pierwiastków chemicznych zależy od struktury substancji. Układ okresowy pierwiastków daje wyobrażenie o głównych cechach atomu węgla:
- znak chemiczny - C;
- numer elementu - 6;
- ładowanie podstawowe - +6;
- protony w jądrze - 6;
- elektrony - 6, w tym 4 zewnętrzne, z których 2 tworzą parę, 2 są niesparowane.
Jeżeli atom węgla w tlenku CO tworzy dwa wiązania, to wykorzystuje się tylko 6 ujemnych cząstek. Aby uzyskać oktet, konieczne jest, aby pary tworzyły 4 zewnętrzne cząstki ujemne. Węgiel ma wartościowość IV (+) w ditlenku i IV (–) w metanie.
Liczba porządkowa tlenu wynosi 8, powłoka walencyjna składa się z sześciu elektronów, 2 z nich nie tworzą par i biorą udział w wiązaniu chemicznym i interakcji z innymi atomami. Typowa wartościowość tlenu to II (–).
Walencja i stopień utlenienia
W wielu przypadkach wygodniej jest użyć pojęcia „stanu utlenienia”. Jest to nazwa nadana ładunkowi atomu, który uzyskałby, gdyby wszystkie elektrony wiążące zostały przeniesione do pierwiastka, który ma wyższą wartość elektroujemności (EO). Liczba utlenienia w prostej substancji wynosizero. Znak „–” jest dodawany do stopnia utlenienia pierwiastka bardziej EO, znak „+” jest dodawany do mniej elektroujemnego. Na przykład dla metali z głównych podgrup stany utlenienia i ładunki jonowe są typowe, równe liczbie grupy ze znakiem „+”. W większości przypadków wartościowość i stopień utlenienia atomów w tym samym związku są liczbowo takie same. Dopiero podczas interakcji z bardziej elektroujemnymi atomami stan utlenienia jest dodatni, z pierwiastkami, w których EO jest niższy, jest ujemny. Pojęcie „wartościowości” jest często stosowane tylko do substancji o strukturze molekularnej.
