Нивото на познанието за структурата на атомите и молекулите през 19-ти век не позволяваше да се обясни причината, поради която атомите образуват определен брой връзки с други частици. Но идеите на учените са изпреварили времето си и валентността все още се изучава като един от основните принципи на химията.
От историята на концепцията за "валентност на химичните елементи"
Изключителният английски химик от 19-ти век Едуард Франкланд въвежда термина "връзка" в научна употреба, за да опише процеса на взаимодействие на атомите един с друг. Ученият забелязал, че някои химични елементи образуват съединения със същия брой други атоми. Например, азотът свързва три водородни атома в молекулата на амоняка.
През май 1852 г. Франкланд предположи, че съществува определен брой химични връзки, които един атом може да образува с други малки частици материя. Франкланд използва фразата „свързваща сила“, за да опише това, което по-късно ще бъде наречено валентност. Британският химик определи колкохимичните връзки образуват атоми на отделни елементи, познати в средата на 19 век. Работата на Франкланд беше важен принос към съвременната структурна химия.
Развитие на нагласи
немски химик F. A. Кекуле доказа през 1857 г., че въглеродът е тетраосновен. В най-простото му съединение - метан - има връзки с 4 водородни атома. Ученият използва термина "основност", за да обозначи свойството на елементите да прикрепят строго определен брой други частици. В Русия данните за структурата на материята са систематизирани от A. M. Butlerov (1861). Теорията на химическото свързване получи по-нататъшно развитие благодарение на учението за периодичната промяна в свойствата на елементите. Негов автор е друг изключителен руски химик Д. И. Менделеев. Той доказа, че валентността на химичните елементи в съединенията и други свойства се дължат на позицията, която те заемат в периодичната система.
Графично представяне на валентност и химическа връзка
Възможността за визуално представяне на молекулите е едно от несъмнените предимства на теорията на валентността. Първите модели се появяват през 1860-те години, а от 1864 г. се използват структурни формули, които представляват кръгове с химически знак вътре. Между символите на атомите, тире показва химическа връзка, а броят на тези линии е равен на стойността на валентността. През същите години са направени първите модели с топка и пръчка (виж снимката вляво). През 1866 г. Кекуле предлага стереохимичен чертеж на атома.въглерод под формата на тетраедър, който той включи в учебника си по Органична химия.
Валентността на химичните елементи и появата на връзки е изследвана от Г. Луис, който публикува своите произведения през 1923 г. след откриването на електрона. Това е името на най-малките отрицателно заредени частици, които са част от обвивките на атомите. В книгата си Люис използва точките около четирите страни на символа на химическия елемент, за да представи валентни електрони.
Валентност за водород и кислород
Преди създаването на периодичната система, валентността на химичните елементи в съединенията обикновено се сравняваше с онези атоми, за които е известна. Като стандарти бяха избрани водород и кислород. Друг химичен елемент привлича или заменя определен брой H и O атоми.
По този начин се определят свойствата на съединения с едновалентен водород (валентността на втория елемент е обозначена с римска цифра):
- HCl - хлор (I):
- H2O - кислород (II);
- NH3 - азот (III);
- CH4 - въглерод (IV).
В оксиди K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 определя кислородната валентност на метали и неметали чрез удвояване на броя на добавените O атоми. Получиха се следните стойности: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Как да определим валентността на химичните елементи
Има закономерности в образуването на химическа връзка, включваща обща електроннадвойки:
- Типичната валентност на водорода е I.
- Обикновена кислородна валентност - II.
- За неметални елементи най-ниската валентност може да се определи по формула 8 - номерът на групата, в която се намират в периодичната система. Най-високият, ако е възможно, се определя от номера на групата.
- За елементи от вторични подгрупи, максималната възможна валентност е същата като номера на групата им в периодичната таблица.
Определянето на валентността на химичните елементи по формулата на съединението се извършва по следния алгоритъм:
- Запишете известната стойност за един от елементите над химическия знак. Например, в Mn2O7 валентността на кислорода е II.
- Изчислете общата стойност, за която трябва да умножите валентността по броя на атомите на същия химичен елемент в молекулата: 27=14.
- Определете валентността на втория елемент, за който е неизвестен. Разделете получената в стъпка 2 стойност на броя на атомите Mn в молекулата.
- 14: 2=7. Валентността на мангана в неговия по-висок оксид е VII.
Постоянна и променлива валентност
Стойностите на валентност за водород и кислород са различни. Например, сярата в съединението H2S е двувалентна, а във формулата SO3 е шествалентна. Въглеродът образува монооксид CO и диоксид CO2 с кислород. В първото съединение валентността на C е II, а във второто IV. Същата стойност в метан CH4.
Повечетоелементи проявява не постоянна, а променлива валентност, например фосфор, азот, сяра. Търсенето на основните причини за това явление доведе до появата на теории за химични връзки, идеи за валентната обвивка на електроните и молекулярните орбитали. Съществуването на различни стойности на едно и също свойство беше обяснено от гледна точка на структурата на атомите и молекулите.
Модерни идеи за валентността
Всички атоми се състоят от положително ядро, заобиколено от отрицателно заредени електрони. Външната обвивка, която образуват, е незавършена. Завършената структура е най-стабилната, съдържаща 8 електрона (октет). Появата на химическа връзка поради общи електронни двойки води до енергийно благоприятно състояние на атомите.
Правилото за образуване на съединения е завършването на обвивката чрез приемане на електрони или раздаване на несдвоени - в зависимост от това кой процес е по-лесен. Ако един атом осигурява образуването на отрицателни частици по химическа връзка, които нямат двойка, тогава той образува толкова връзки, колкото има несдвоени електрони. Според съвременните концепции валентността на атомите на химичните елементи е способността да образуват определен брой ковалентни връзки. Например, в молекула на сероводород H2S, сярата придобива валентност II (–), тъй като всеки атом участва в образуването на две електронни двойки. Знакът "-" показва привличането на електронна двойка към по-електроотрицателен елемент. За по-малко електроотрицателен, „+” се добавя към стойността на валентността.
С механизма донор-акцептор, електронни двойки на един елемент и свободни валентни орбитали на друг елемент участват в процеса.
Зависимост на валентността от структурата на атома
Нека да разгледаме примера с въглерод и кислород, как валентността на химичните елементи зависи от структурата на веществото. Периодичната таблица дава представа за основните характеристики на въглеродния атом:
- химичен знак - C;
- номер на елемента - 6;
- зареждане на ядрото - +6;
- протони в ядрото - 6;
- електрони - 6, включително 4 външни, от които 2 образуват двойка, 2 са несдвоени.
Ако въглероден атом в CO моноксид образува две връзки, тогава само 6 отрицателни частици влизат в употреба. За придобиване на октет е необходимо двойките да образуват 4 външни отрицателни частици. Въглеродът има валентност IV (+) в диоксида и IV (–) в метана.
Пореден номер на кислорода е 8, валентната обвивка се състои от шест електрона, 2 от тях не образуват двойки и участват в химично свързване и взаимодействие с други атоми. Типичната кислородна валентност е II (–).
Валентност и степен на окисление
В много случаи е по-удобно да се използва понятието "степен на окисление". Това е името, дадено на заряда на атома, който би придобил, ако всички свързващи електрони бъдат прехвърлени на елемент с по-висока стойност на електроотрицателност (EO). Окислителният брой в простото вещество енула. Знакът "-" се добавя към степента на окисление на по-ЕО елемента, знакът "+" се добавя към по-малко електроотрицателния. Например, за металите от основните подгрупи, степените на окисление и зарядите на йони са типични, равни на номера на групата със знак „+“. В повечето случаи валентността и степента на окисление на атомите в едно и също съединение са числено еднакви. Само при взаимодействие с повече електроотрицателни атоми степента на окисление е положителна, при елементи, в които EO е по-ниска, е отрицателна. Концепцията за "валентност" често се прилага само за вещества с молекулярна структура.
