Nivelul de cunoștințe despre structura atomilor și moleculelor în secolul al XIX-lea nu a permis explicarea motivului pentru care atomii formează un anumit număr de legături cu alte particule. Dar ideile oamenilor de știință erau înaintea timpului lor, iar valența este încă studiată ca unul dintre principiile de bază ale chimiei.
Din istoria conceptului de „valență a elementelor chimice”
Remarcabilul chimist englez din secolul al XIX-lea Edward Frankland a introdus termenul „legătură” în uz științific pentru a descrie procesul de interacțiune a atomilor între ei. Omul de știință a observat că unele elemente chimice formează compuși cu același număr de alți atomi. De exemplu, azotul atașează trei atomi de hidrogen în molecula de amoniac.
În mai 1852, Frankland a emis ipoteza că există un anumit număr de legături chimice pe care un atom le-ar putea forma cu alte particule minuscule de materie. Frankland a folosit expresia „forță de legătură” pentru a descrie ceea ce mai târziu va fi numit valență. Chimistul britanic a stabilit câtlegăturile chimice formează atomi de elemente individuale cunoscute la mijlocul secolului al XIX-lea. Lucrarea lui Frankland a fost o contribuție importantă la chimia structurală modernă.
Dezvoltarea atitudinilor
Chimistul german F. A. Kekule a demonstrat în 1857 că carbonul este unul tetrabazic. În cel mai simplu compus al său - metanul - există legături cu 4 atomi de hidrogen. Omul de știință a folosit termenul de „bazicitate” pentru a desemna proprietatea elementelor de a atașa un număr strict definit de alte particule. În Rusia, datele privind structura materiei au fost sistematizate de A. M. Butlerov (1861). Teoria legăturii chimice a primit o dezvoltare ulterioară datorită doctrinei modificării periodice a proprietăților elementelor. Autorul său este un alt chimist rus remarcabil, D. I. Mendeleev. El a demonstrat că valența elementelor chimice în compuși și alte proprietăți se datorează poziției pe care o ocupă în sistemul periodic.
Reprezentarea grafică a valenței și a legăturii chimice
Posibilitatea unei reprezentări vizuale a moleculelor este unul dintre avantajele neîndoielnice ale teoriei valenței. Primele modele au apărut în anii 1860, iar din 1864 se folosesc formule structurale, care sunt cercuri cu un semn chimic în interior. Între simbolurile atomilor, o liniuță indică o legătură chimică, iar numărul acestor linii este egal cu valoarea valenței. În aceiași ani, au fost realizate primele modele de bile și băț (vezi fotografia din stânga). În 1866, Kekule a propus un desen stereochimic al atomului.carbon sub formă de tetraedru, pe care l-a inclus în manualul său de chimie organică.
Valența elementelor chimice și apariția legăturilor a fost studiată de G. Lewis, care și-a publicat lucrările în 1923 după descoperirea electronului. Acesta este numele celor mai mici particule încărcate negativ care fac parte din învelișurile atomilor. În cartea sa, Lewis a folosit punctele din jurul celor patru laturi ale simbolului elementului chimic pentru a reprezenta electronii de valență.
Valență pentru hidrogen și oxigen
Înainte de crearea sistemului periodic, valența elementelor chimice din compuși era de obicei comparată cu acei atomi pentru care este cunoscută. Hidrogenul și oxigenul au fost aleși ca standarde. Un alt element chimic a atras sau a înlocuit un anumit număr de atomi de H și O.
În acest fel, s-au determinat proprietăți în compușii cu hidrogen monovalent (valența celui de-al doilea element este indicată cu cifre romane):
- HCl - clor (I):
- H2O - oxigen (II);
- NH3 - azot (III);
- CH4 - carbon (IV).
În oxizi K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 au determinat valența oxigenului metalelor și nemetalelor prin dublarea numărului de atomi de O adăugați. S-au obținut următoarele valori: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Cum se determină valența elementelor chimice
Există regularități în formarea unei legături chimice care implică electronice comunecupluri:
- Valența tipică a hidrogenului este I.
- Valența obișnuită a oxigenului - II.
- Pentru elementele nemetalice, cea mai mică valență poate fi determinată prin formula 8 - numărul grupului în care sunt situate în sistemul periodic. Cel mai mare, dacă este posibil, este determinat de numărul grupului.
- Pentru elementele subgrupurilor secundare, valența maximă posibilă este aceeași cu numărul grupului lor din tabelul periodic.
Determinarea valenței elementelor chimice conform formulei compusului se realizează folosind următorul algoritm:
- Scrieți valoarea cunoscută pentru unul dintre elementele de deasupra semnului chimic. De exemplu, în Mn2O7 valența oxigenului este II.
- Calculați valoarea totală, pentru care trebuie să înmulțiți valența cu numărul de atomi ai aceluiași element chimic din moleculă: 27=14.
- Determinați valența celui de-al doilea element pentru care este necunoscut. Împărțiți valoarea obținută la pasul 2 la numărul de atomi de Mn din moleculă.
- 14: 2=7. Valența manganului în oxidul său superior este VII.
Valență constantă și variabilă
Valorile de valență pentru hidrogen și oxigen sunt diferite. De exemplu, sulful din compusul H2S este bivalent, iar în formula SO3 este hexavalent. Carbonul formează monoxid de CO și dioxid de CO2 cu oxigen. În primul compus, valența lui C este II, iar în al doilea, IV. Aceeași valoare în metan CH4.
Cele mai multeelementele nu prezintă o valență constantă, ci variabilă, de exemplu, fosfor, azot, sulf. Căutarea principalelor cauze ale acestui fenomen a condus la apariția teoriilor legăturilor chimice, a ideilor despre învelișul de valență a electronilor și a orbitalilor moleculari. Existența unor valori diferite ale aceleiași proprietăți a fost explicată din punct de vedere al structurii atomilor și moleculelor.
Idei moderne despre valență
Toți atomii constau dintr-un nucleu pozitiv înconjurat de electroni încărcați negativ. Învelișul exterior pe care îl formează este neterminat. Structura finalizată este cea mai stabilă, conținând 8 electroni (un octet). Apariția unei legături chimice datorită perechilor de electroni comuni duce la o stare favorabilă energetic a atomilor.
Regula pentru formarea compușilor este completarea învelișului prin acceptarea de electroni sau dăruirea celor nepereche - în funcție de ce proces este mai ușor. Dacă un atom asigură formarea unei legături chimice de particule negative care nu au o pereche, atunci formează atâtea legături câte electroni nepereche. Conform conceptelor moderne, valența atomilor elementelor chimice este capacitatea de a forma un anumit număr de legături covalente. De exemplu, într-o moleculă de hidrogen sulfurat H2S, sulful capătă valența II (–), deoarece fiecare atom participă la formarea a două perechi de electroni. Semnul „–” indică atracția unei perechi de electroni către un element mai electronegativ. Pentru unul mai puțin electronegativ, se adaugă „+” la valoarea valenței.
Cu mecanismul donor-acceptor, perechile de electroni ale unui element și orbitalii de valență liberi ai altui element iau parte la proces.
Dependența valenței de structura atomului
Să ne uităm la exemplul carbonului și oxigenului, cum valenta elementelor chimice depinde de structura substanței. Tabelul periodic oferă o idee despre principalele caracteristici ale atomului de carbon:
- semn chimic - C;
- număr element - 6;
- taxă de bază - +6;
- protoni în nucleu - 6;
- electroni - 6, inclusiv 4 externi, dintre care 2 formează o pereche, 2 sunt nepereche.
Dacă un atom de carbon din monoxidul de CO formează două legături, atunci doar 6 particule negative sunt folosite. Pentru a obține un octet, este necesar ca perechile să formeze 4 particule negative externe. Carbonul are valență IV (+) în dioxid și IV (–) în metan.
Numărul ordinal de oxigen este 8, învelișul de valență este format din șase electroni, 2 dintre ei nu formează perechi și participă la legăturile chimice și la interacțiunea cu alți atomi. O valență tipică a oxigenului este II (–).
Valență și stare de oxidare
În multe cazuri este mai convenabil să folosiți conceptul de „stare de oxidare”. Acesta este numele dat sarcinii unui atom pe care l-ar dobândi dacă toți electronii de legătură ar fi transferați la un element care are o valoare mai mare a electronegativității (EO). Numărul de oxidare dintr-o substanță simplă estezero. Semnul „–” este adăugat la starea de oxidare a elementului cu mai mult EO, semnul „+” este adăugat celui mai puțin electronegativ. De exemplu, pentru metalele principalelor subgrupe, stările de oxidare și sarcinile ionice sunt tipice, egale cu numărul grupului cu semnul „+”. În cele mai multe cazuri, valența și starea de oxidare a atomilor din același compus sunt numeric aceleași. Numai atunci când interacționează cu mai mulți atomi electronegativi, starea de oxidare este pozitivă, cu elemente în care EO este mai scăzut, este negativă. Conceptul de „valență” este adesea aplicat numai substanțelor cu structură moleculară.
