Razina znanja o strukturi atoma i molekula u 19. stoljeću nije dopuštala objasniti razlog zašto atomi stvaraju određeni broj veza s drugim česticama. Ali ideje znanstvenika bile su ispred svog vremena, a valencija se još uvijek proučava kao jedno od osnovnih načela kemije.
Iz povijesti koncepta "valentnosti kemijskih elemenata"
Izvanredni engleski kemičar iz 19. stoljeća Edward Frankland uveo je pojam "veza" u znanstvenu upotrebu kako bi opisao proces međusobne interakcije atoma. Znanstvenik je primijetio da neki kemijski elementi tvore spojeve s istim brojem drugih atoma. Na primjer, dušik veže tri atoma vodika u molekuli amonijaka.
U svibnju 1852. Frankland je pretpostavio da postoji određeni broj kemijskih veza koje atom može formirati s drugim sićušnim česticama materije. Frankland je upotrijebio izraz "vezna sila" da opiše ono što će se kasnije nazvati valencija. Britanski kemičar utvrdio je kolikokemijske veze tvore atome pojedinih elemenata poznatih sredinom 19. stoljeća. Franklandov rad bio je važan doprinos modernoj strukturnoj kemiji.
Razvijanje stavova
njemački kemičar F. A. Kekule je 1857. dokazao da je ugljik tetrabazičan. U njegovom najjednostavnijem spoju - metanu - postoje veze s 4 atoma vodika. Znanstvenik je upotrijebio izraz "bazičnost" kako bi označio svojstvo elemenata da vežu strogo određeni broj drugih čestica. U Rusiji je podatke o strukturi materije sistematizirao A. M. Butlerov (1861). Teorija kemijske veze dobila je daljnji razvoj zahvaljujući doktrini o periodičnoj promjeni svojstava elemenata. Njegov je autor još jedan izvanredni ruski kemičar, D. I. Mendeljejev. On je dokazao da su valencija kemijskih elemenata u spojevima i druga svojstva posljedica položaja koji oni zauzimaju u periodnom sustavu.
Grafički prikaz valencije i kemijske veze
Mogućnost vizualnog prikaza molekula jedna je od nedvojbenih prednosti teorije valencije. Prvi modeli pojavili su se 1860-ih, a od 1864. koriste se strukturne formule, a to su krugovi s kemijskim znakom iznutra. Između simbola atoma, crtica označava kemijsku vezu, a broj ovih linija jednak je vrijednosti valencije. Iste godine izrađeni su i prvi modeli s kuglom i štapom (vidi sliku lijevo). Godine 1866. Kekule je predložio stereokemijski crtež atoma.ugljik u obliku tetraedra, koji je uključio u svoj udžbenik Organska kemija.
Valenciju kemijskih elemenata i pojavu veza proučavao je G. Lewis, koji je svoje radove objavio 1923. nakon otkrića elektrona. Ovo je naziv najmanjih negativno nabijenih čestica koje su dio ljuski atoma. U svojoj knjizi, Lewis je koristio točkice oko četiri strane simbola kemijskog elementa za predstavljanje valentnih elektrona.
Valencija za vodik i kisik
Prije stvaranja periodnog sustava, valencija kemijskih elemenata u spojevima obično se uspoređivala s onim atomima za koje je poznata. Za standarde su odabrani vodik i kisik. Drugi kemijski element privukao je ili zamijenio određeni broj atoma H i O.
Na ovaj način određena su svojstva u spojevima s monovalentnim vodikom (valentnost drugog elementa označena je rimskim brojem):
- HCl - klor (I):
- H2O - kisik (II);
- NH3 - dušik (III);
- CH4 - ugljik (IV).
U oksidima K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 odredio je valenciju kisika metala i nemetala udvostručavanjem broja dodanih O atoma. Dobivene su sljedeće vrijednosti: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kako odrediti valenciju kemijskih elemenata
Postoje pravilnosti u stvaranju kemijske veze koja uključuje uobičajenu elektronikuparovi:
- Tipična valencija vodika je I.
- Uobičajena valencija kisika - II.
- Za nemetalne elemente, najniža valencija se može odrediti formulom 8 - brojem skupine u kojoj se nalaze u periodnom sustavu. Najviši, ako je moguće, određen je brojem grupe.
- Za elemente sekundarnih podskupina, maksimalna moguća valencija je ista kao i njihov broj grupe u periodnom sustavu.
Određivanje valencije kemijskih elemenata prema formuli spoja provodi se pomoću sljedećeg algoritma:
- Napiši poznatu vrijednost za jedan od elemenata iznad kemijskog znaka. Na primjer, u Mn2O7 valencija kisika je II.
- Izračunajte ukupnu vrijednost za koju trebate pomnožiti valenciju s brojem atoma istog kemijskog elementa u molekuli: 27=14.
- Odredite valenciju drugog elementa za koji je nepoznat. Podijelite vrijednost dobivenu u koraku 2 s brojem atoma Mn u molekuli.
- 14: 2=7. Valentnost mangana u njegovom višem oksidu je VII.
Konstantna i varijabilna valencija
Vrijednosti valencije za vodik i kisik su različite. Na primjer, sumpor u spoju H2S je dvovalentan, au formuli SO3 je heksavalentan. Ugljik tvori monoksid CO i dioksid CO2 s kisikom. U prvom spoju valencija C je II, a u drugom IV. Ista vrijednost u metanu CH4.
Većinaelemenata ne pokazuje konstantnu, već promjenjivu valenciju, na primjer, fosfor, dušik, sumpor. Potraga za glavnim uzrocima ovog fenomena dovela je do pojave teorija kemijskih veza, ideja o valentnoj ljusci elektrona i molekularnih orbitala. Postojanje različitih vrijednosti istog svojstva objašnjeno je sa stanovišta strukture atoma i molekula.
Moderne ideje o valentnosti
Svi atomi sastoje se od pozitivne jezgre okružene negativno nabijenim elektronima. Vanjska ljuska koju formiraju je nedovršena. Završena struktura je najstabilnija, sadrži 8 elektrona (oktet). Pojava kemijske veze zbog zajedničkih elektronskih parova dovodi do energetski povoljnog stanja atoma.
Pravilo za stvaranje spojeva je dovršavanje ljuske prihvaćanjem elektrona ili davanjem nesparenih - ovisno o tome koji je proces lakši. Ako atom osigurava stvaranje negativnih čestica kemijske veze koje nemaju par, tada stvara onoliko veza koliko ima nesparenih elektrona. Prema suvremenim konceptima, valencija atoma kemijskih elemenata je sposobnost stvaranja određenog broja kovalentnih veza. Na primjer, u molekuli sumporovodika H2S, sumpor poprima valenciju II (–), budući da svaki atom sudjeluje u formiranju dva elektronska para. Znak “–” označava privlačenje elektronskog para na elektronegativniji element. Za manje elektronegativnu vrijednost valencije dodaje se "+".
S mehanizmom donor-akceptor, elektronski parovi jednog elementa i slobodne valentne orbitale drugog elementa sudjeluju u procesu.
Ovisnost valencije o strukturi atoma
Pogledajmo na primjeru ugljika i kisika, kako valencija kemijskih elemenata ovisi o strukturi tvari. Periodni sustav daje ideju o glavnim karakteristikama atoma ugljika:
- kemijski znak - C;
- broj elementa - 6;
- core charge - +6;
- protoni u jezgri - 6;
- elektrona - 6, uključujući 4 vanjska, od kojih 2 čine par, 2 su nesparena.
Ako atom ugljika u CO monoksidu tvori dvije veze, tada se koristi samo 6 negativnih čestica. Za dobivanje okteta potrebno je da parovi tvore 4 vanjske negativne čestice. Ugljik ima valenciju IV (+) u dioksidu i IV (–) u metanu.
Redni broj kisika je 8, valentna ljuska se sastoji od šest elektrona, od kojih 2 ne tvore parove i sudjeluju u kemijskoj vezi i interakciji s drugim atomima. Tipična valencija kisika je II (–).
Valencija i stanje oksidacije
U mnogim slučajevima je prikladnije koristiti koncept "oksidacijskog stanja". Ovo je naziv koji se daje naboju atoma koji bi stekao kad bi se svi vezni elektroni prenijeli na element koji ima višu vrijednost elektronegativnosti (EO). Oksidacijski broj u jednostavnoj tvari jenula. Znak “–” dodaje se oksidacijskom stanju elementa s više EO, znak “+” dodaje se manje elektronegativnom. Na primjer, za metale glavnih podskupina tipična su oksidacijska stanja i naboji iona, jednaki broju skupine sa znakom "+". U većini slučajeva, valencija i oksidacijsko stanje atoma u istom spoju numerički su isti. Samo pri interakciji s više elektronegativnih atoma, oksidacijsko stanje je pozitivno, kod elemenata kod kojih je EO niži, negativno. Koncept "valentnosti" se često primjenjuje samo na tvari molekularne strukture.
