Nivo znanja o strukturi atoma i molekula u 19. veku nije dozvoljavao da se objasni razlog zašto atomi formiraju određeni broj veza sa drugim česticama. Ali ideje naučnika bile su ispred svog vremena, a valencija se još uvek proučava kao jedan od osnovnih principa hemije.
Iz istorije koncepta "valentnosti hemijskih elemenata"
Izuzetni engleski hemičar iz 19. veka Edvard Frankland uveo je termin "veza" u naučnu upotrebu kako bi opisao proces međusobne interakcije atoma. Naučnik je primetio da neki hemijski elementi formiraju jedinjenja sa istim brojem drugih atoma. Na primjer, dušik vezuje tri atoma vodika u molekulu amonijaka.
U maju 1852. Frankland je pretpostavio da postoji određeni broj hemijskih veza koje atom može formirati sa drugim sićušnim česticama materije. Frankland je koristio izraz "sila povezivanja" da opiše ono što će se kasnije nazvati valencija. Britanski hemičar je odredio kolikohemijske veze formiraju atome pojedinih elemenata poznatih sredinom 19. veka. Franklandov rad bio je važan doprinos modernoj strukturnoj hemiji.
Razvijanje stavova
njemački hemičar F. A. Kekule je 1857. dokazao da je ugljenik tetrabazičan. U njegovom najjednostavnijem spoju - metanu - postoje veze sa 4 atoma vodika. Naučnik je koristio termin "bazičnost" da označi svojstvo elemenata da vezuju strogo definisan broj drugih čestica. U Rusiji je podatke o strukturi materije sistematizovao A. M. Butlerov (1861). Teorija hemijske veze dobila je dalji razvoj zahvaljujući doktrini o periodičnoj promeni svojstava elemenata. Njegov autor je još jedan istaknuti ruski hemičar, D. I. Mendeljejev. On je dokazao da su valentnost hemijskih elemenata u jedinjenjima i druga svojstva posledica položaja koji oni zauzimaju u periodičnom sistemu.
Grafički prikaz valencije i hemijske veze
Mogućnost vizuelnog predstavljanja molekula jedna je od nesumnjivih prednosti teorije valencije. Prvi modeli pojavili su se 1860-ih godina, a od 1864. koriste se strukturne formule, a to su krugovi sa hemijskim znakom unutra. Između simbola atoma, crtica označava hemijsku vezu, a broj ovih linija jednak je vrijednosti valencije. Iste godine napravljeni su i prvi modeli sa loptom i štapom (vidi sliku lijevo). Godine 1866. Kekule je predložio stereohemijski crtež atoma.ugljenik u obliku tetraedra, koji je uključio u svoj udžbenik Organska hemija.
Valenciju hemijskih elemenata i pojavu veza proučavao je G. Lewis, koji je objavio svoje radove 1923. nakon otkrića elektrona. Ovo je naziv najmanjih negativno nabijenih čestica koje su dio omotača atoma. U svojoj knjizi, Lewis je koristio tačke oko četiri strane simbola hemijskog elementa da predstavi valentne elektrone.
Valencija za vodonik i kiseonik
Prije stvaranja periodnog sistema, valencija hemijskih elemenata u jedinjenjima se obično upoređivala sa onim atomima za koje je poznata. Kao standardi su odabrani vodonik i kiseonik. Drugi hemijski element privukao je ili zamijenio određeni broj H i O atoma.
Na ovaj način su određena svojstva jedinjenja sa monovalentnim vodonikom (valentnost drugog elementa je označena rimskim brojem):
- HCl - klor (I):
- H2O - kiseonik (II);
- NH3 - dušik (III);
- CH4 - ugljenik (IV).
U oksidima K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 odredio je valenciju kiseonika metala i nemetala dupliranjem broja dodatih O atoma. Dobijene su sledeće vrednosti: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kako odrediti valenciju hemijskih elemenata
Postoje pravilnosti u formiranju hemijske veze koja uključuje uobičajenu elektronikuparovi:
- Tipična valencija vodika je I.
- Uobičajena valencija kiseonika - II.
- Za nemetalne elemente, najniža valencija se može odrediti formulom 8 - brojem grupe u kojoj se nalaze u periodnom sistemu. Najviši, ako je moguće, određen je brojem grupe.
- Za elemente sekundarnih podgrupa, maksimalna moguća valencija je ista kao i njihov broj grupe u periodičnoj tabeli.
Određivanje valencije hemijskih elemenata prema formuli jedinjenja vrši se korišćenjem sledećeg algoritma:
- Napišite poznatu vrijednost za jedan od elemenata iznad hemijskog znaka. Na primjer, u Mn2O7 valencija kisika je II.
- Izračunajte ukupnu vrijednost za koju trebate pomnožiti valenciju sa brojem atoma istog hemijskog elementa u molekulu: 27=14.
- Odredite valenciju drugog elementa za koji je nepoznat. Podijelite vrijednost dobijenu u koraku 2 sa brojem atoma Mn u molekulu.
- 14: 2=7. Valentnost mangana u njegovom višem oksidu je VII.
Konstantna i varijabilna valencija
Vrijednosti valencije za vodonik i kisik su različite. Na primjer, sumpor u jedinjenju H2S je dvovalentan, au formuli SO3 je heksavalentan. Ugljik sa kiseonikom stvara monoksid CO i dioksid CO2. U prvom spoju valencija C je II, au drugom IV. Ista vrijednost u metanu CH4.
Mostelementi ne pokazuju konstantnu, već promjenjivu valencu, 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 se sastoje od pozitivnog jezgra okruženog negativno nabijenim elektronima. Vanjska ljuska koju oni formiraju je nedovršena. Završena struktura je najstabilnija, sadrži 8 elektrona (oktet). Pojava hemijske veze zbog zajedničkih elektronskih parova dovodi do energetski povoljnog stanja atoma.
Pravilo za formiranje jedinjenja je kompletiranje ljuske prihvatanjem elektrona ili davanjem nesparenih - zavisno od toga koji je proces lakši. Ako atom osigurava formiranje negativnih čestica kemijske veze koje nemaju par, tada formira onoliko veza koliko ima nesparenih elektrona. Prema modernim konceptima, valencija atoma hemijskih elemenata je sposobnost formiranja određenog broja kovalentnih veza. Na primjer, u molekulu vodonik sulfida H2S, sumpor poprima valenciju II (–), budući da svaki atom učestvuje u formiranju dva elektronska para. Znak “–” označava privlačenje elektronskog para na elektronegativniji element. Za manje elektronegativnu vrijednost valencije se dodaje “+”.
Sa mehanizmom donor-akceptor, elektronski parovi jednog elementa i slobodne valentne orbitale drugog elementa učestvuju u procesu.
Zavisnost valencije od strukture atoma
Pogledajmo na primjeru ugljika i kisika, kako valencija kemijskih elemenata ovisi o strukturi tvari. Periodični sistem daje ideju o glavnim karakteristikama atoma ugljika:
- hemijski znak - C;
- broj elementa - 6;
- core charge - +6;
- protoni u jezgru - 6;
- elektrona - 6, uključujući 4 eksterna, od kojih 2 čine par, 2 su neuparena.
Ako atom ugljika u CO monoksidu formira dvije veze, tada se koristi samo 6 negativnih čestica. Da bi se dobio oktet, potrebno je da parovi formiraju 4 vanjske negativne čestice. Ugljik ima valenciju IV (+) u dioksidu i IV (-) u metanu.
Redni broj kiseonika je 8, valentni omotač se sastoji od šest elektrona, od kojih 2 ne čine parove i učestvuju u hemijskom vezivanju i interakciji sa drugim atomima. Tipična valencija kiseonika je II (–).
Valencija i stanje oksidacije
U mnogim slučajevima je zgodnije koristiti koncept "oksidacionog stanja". Ovo je ime dato naboju atoma koji bi dobio kada bi se svi vezani elektroni prenijeli na element koji ima višu vrijednost elektronegativnosti (EO). Oksidacijski broj u jednostavnoj tvari jenula. Znak “–” se dodaje oksidacionom stanju elementa sa više EO, znak “+” dodaje se manje elektronegativnom. Na primjer, za metale glavnih podgrupa tipična su oksidacijska stanja i naboji jona, jednaki broju grupe sa znakom "+". U većini slučajeva, valencija i oksidacijsko stanje atoma u istom spoju su numerički isti. Samo pri interakciji sa više elektronegativnih atoma, oksidaciono stanje je pozitivno, kod elemenata kod kojih je EO niži, negativno. Koncept "valencije" se često primjenjuje samo na supstance molekularne strukture.
