Raven znanja o zgradbi atomov in molekul v 19. stoletju ni omogočal pojasnjevanja razloga, zakaj atomi tvorijo določeno število vezi z drugimi delci. Toda ideje znanstvenikov so bile pred svojim časom, valenca pa se še vedno preučuje kot eno od osnovnih načel kemije.
Iz zgodovine koncepta "valentnosti kemičnih elementov"
Izjemni angleški kemik iz 19. stoletja Edward Frankland je v znanstveno rabo uvedel izraz "vez", da bi opisal proces medsebojne interakcije atomov. Znanstvenik je opazil, da nekateri kemični elementi tvorijo spojine z enakim številom drugih atomov. Na primer, dušik veže tri atome vodika v molekuli amoniaka.
Maja 1852 je Frankland domneval, da obstaja določeno število kemičnih vezi, ki jih atom lahko tvori z drugimi drobnimi delci snovi. Frankland je uporabil besedno zvezo "vezna sila", da bi opisal tisto, kar se bo kasneje imenovalo valenca. Britanski kemik je določil, kolikokemične vezi tvorijo atome posameznih elementov, poznane sredi 19. stoletja. Franklandovo delo je bilo pomemben prispevek k sodobni strukturni kemiji.
Razvijanje odnosa
nemški kemik F. A. Kekule je leta 1857 dokazal, da je ogljik tetrabazičen. V svoji najpreprostejši spojini - metanu - obstajajo vezi s 4 atomi vodika. Znanstvenik je uporabil izraz "osnovnost" za označevanje lastnosti elementov, da pritrdijo strogo določeno število drugih delcev. V Rusiji je podatke o zgradbi snovi sistematiziral A. M. Butlerov (1861). Teorija kemijske vezi je dobila nadaljnji razvoj zahvaljujoč nauku o periodičnih spremembah lastnosti elementov. Njegov avtor je še en izjemen ruski kemik D. I. Mendelejev. Dokazal je, da so valenca kemičnih elementov v spojinah in druge lastnosti posledica položaja, ki ga zasedajo v periodnem sistemu.
Grafični prikaz valence in kemične vezi
Možnost vizualne predstavitve molekul je ena od nedvomnih prednosti teorije valence. Prvi modeli so se pojavili v 60. letih 19. stoletja, od leta 1864 pa se uporabljajo strukturne formule, ki so krogi s kemičnim znakom v notranjosti. Med simboli atomov pomišljaj označuje kemično vez, število teh vrstic pa je enako vrednosti valence. V istih letih so bili izdelani prvi modeli s kroglo in palico (glej sliko na levi). Leta 1866 je Kekule predlagal stereokemično risbo atoma.ogljik v obliki tetraedra, ki ga je vključil v svoj učbenik Organska kemija.
Valenca kemičnih elementov in nastanek vezi je preučeval G. Lewis, ki je leta 1923 po odkritju elektrona objavil svoja dela. To je ime najmanjših negativno nabitih delcev, ki so del lupine atomov. Lewis je v svoji knjigi uporabil pike okoli štirih strani simbola kemičnega elementa, da bi predstavljal valenčne elektrone.
Valenca za vodik in kisik
Pred nastankom periodičnega sistema so valenco kemičnih elementov v spojinah običajno primerjali s tistimi atomi, za katere je znana. Za standarda sta bila izbrana vodik in kisik. Drug kemični element je pritegnil ali nadomestil določeno število atomov H in O.
Na ta način so bile določene lastnosti v spojinah z enovalentnim vodikom (valenca drugega elementa je označena z rimsko številko):
- HCl - klor (I):
- H2O - kisik (II);
- NH3 - dušik (III);
- CH4 - ogljik (IV).
V oksidih K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 je določil valenco kisika kovin in nekovin tako, da je podvojil število dodanih atomov O. Dobljene so bile naslednje vrednosti: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kako določiti valenco kemičnih elementov
Obstajajo zakonitosti pri tvorbi kemične vezi, ki vključuje običajno elektronikopari:
- Tipična valenca vodika je I.
- Običajna valenca kisika - II.
- Za nekovinske elemente je mogoče najnižjo valenco določiti s formulo 8 - število skupine, v kateri se nahajajo v periodnem sistemu. Najvišjo, če je mogoče, določi številka skupine.
- Za elemente sekundarnih podskupin je največja možna valenca enaka številki njihove skupine v periodnem sistemu.
Določanje valence kemičnih elementov po formuli spojine se izvede po naslednjem algoritmu:
- Napiši znano vrednost za enega od elementov nad kemijskim znakom. Na primer, v Mn2O7 je valenca kisika II.
- Izračunajte skupno vrednost, za katero morate valenco pomnožiti s številom atomov istega kemičnega elementa v molekuli: 27=14.
- Določi valenco drugega elementa, za katerega ni znan. Vrednost, dobljeno v koraku 2, delite s številom atomov Mn v molekuli.
- 14: 2=7. Valenca mangana v njegovem višjem oksidu je VII.
Stalna in spremenljiva valenca
Valenčne vrednosti za vodik in kisik so različne. Na primer, žveplo v spojini H2S je dvovalentno, v formuli SO3 pa šestvalentno. Ogljik tvori monoksid CO in dioksid CO2 s kisikom. V prvi spojini je valenca C II, v drugi pa IV. Ista vrednost v metanu CH4.
Večinaelementov ne kaže konstantno, temveč spremenljivo valenco, na primer fosfor, dušik, žveplo. Iskanje glavnih vzrokov za ta pojav je privedlo do nastanka teorij kemičnih vezi, idej o valenčni lupini elektronov in molekularnih orbital. Obstoj različnih vrednosti iste lastnosti je bil razložen s stališča strukture atomov in molekul.
Sodobne ideje o valenci
Vsi atomi so sestavljeni iz pozitivnega jedra, obkroženega z negativno nabitimi elektroni. Zunanja lupina, ki jo tvorijo, je nedokončana. Končana struktura je najbolj stabilna, saj vsebuje 8 elektronov (oktet). Pojav kemične vezi zaradi skupnih elektronskih parov vodi v energetsko ugodno stanje atomov.
Pravilo za tvorbo spojin je dokončanje lupine s sprejemanjem elektronov ali oddajanjem neparnih - odvisno od tega, kateri proces je lažji. Če atom poskrbi za tvorbo negativnih delcev kemične vezi, ki nimajo para, potem tvori toliko vezi, kolikor ima neparnih elektronov. Po sodobnih konceptih je valenca atomov kemičnih elementov sposobnost tvorbe določenega števila kovalentnih vezi. Na primer, v molekuli vodikovega sulfida H2S žveplo pridobi valenco II (–), saj vsak atom sodeluje pri tvorbi dveh elektronskih parov. Znak "-" označuje privlačnost elektronskega para k bolj elektronegativnemu elementu. Za manj elektronegativno se vrednosti valence doda "+".
Z mehanizmom donor-akceptor sodelujejo v procesu elektronski pari enega elementa in proste valenčne orbitale drugega elementa.
Odvisnost valence od strukture atoma
Poglejmo na primeru ogljika in kisika, kako je valenca kemičnih elementov odvisna od strukture snovi. Periodični sistem daje predstavo o glavnih značilnostih ogljikovega atoma:
- kemični znak - C;
- številka elementa - 6;
- polnitev jedra - +6;
- protoni v jedru - 6;
- elektronov - 6, vključno s 4 zunanjimi, od katerih 2 tvorita par, 2 sta neparjena.
Če ogljikov atom v CO monoksidu tvori dve vezi, potem pride v uporabo le 6 negativnih delcev. Za pridobitev okteta je potrebno, da pari tvorijo 4 zunanje negativne delce. Ogljik ima valenco IV (+) v dioksidu in IV (–) v metanu.
Naredna številka kisika je 8, valenčna lupina je sestavljena iz šestih elektronov, od katerih 2 ne tvorita parov in sodelujeta pri kemični vezi in interakciji z drugimi atomi. Tipična valenca kisika je II (–).
Valenca in oksidacijsko stanje
V mnogih primerih je bolj priročno uporabiti koncept "oksidacijskega stanja". Tako se imenuje naboj atoma, ki bi ga pridobil, če bi vse vezne elektrone prenesli na element, ki ima višjo vrednost elektronegativnosti (EO). Oksidacijsko število v preprosti snovi jenič. Znak “–” se doda oksidacijskemu stanju elementa z več EO, znak “+” pa manj elektronegativnemu. Na primer, za kovine glavnih podskupin so značilna oksidacijska stanja in ionski naboji, enaki številki skupine z znakom "+". V večini primerov sta valenca in oksidacijsko stanje atomov v isti spojini številčno enaka. Samo pri interakciji z več elektronegativnimi atomi je oksidacijsko stanje pozitivno, pri elementih, pri katerih je EO nižji, negativno. Pojem "valenca" se pogosto uporablja samo za snovi molekularne strukture.
