Úroveň vedomostí o štruktúre atómov a molekúl v 19. storočí neumožňovala vysvetliť dôvod, prečo atómy vytvárajú určitý počet väzieb s inými časticami. Myšlienky vedcov však predbehli dobu a valencia sa stále skúma ako jeden zo základných princípov chémie.
Z histórie pojmu „valencia chemických prvkov“
Vynikajúci anglický chemik 19. storočia Edward Frankland zaviedol pojem „väzba“do vedeckého používania na opísanie procesu vzájomného pôsobenia atómov. Vedec si všimol, že niektoré chemické prvky tvoria zlúčeniny s rovnakým počtom iných atómov. Napríklad dusík pripája tri atómy vodíka v molekule amoniaku.
V máji 1852 Frankland vyslovil hypotézu, že existuje špecifický počet chemických väzieb, ktoré môže atóm vytvoriť s inými drobnými časticami hmoty. Frankland použil frázu „spájajúca sila“na opis toho, čo by sa neskôr nazývalo valencia. Britský chemik určil koľkochemické väzby tvoria atómy jednotlivých prvkov známe v polovici 19. storočia. Franklandova práca bola dôležitým príspevkom k modernej štruktúrnej chémii.
Rozvíjanie postojov
Nemecký chemik F. A. Kekule v roku 1857 dokázal, že uhlík je štvorsýtny. V jeho najjednoduchšej zlúčenine – metáne – sú väzby so 4 atómami vodíka. Vedec použil termín „zásaditosť“na označenie vlastnosti prvkov pripájať presne definovaný počet iných častíc. V Rusku údaje o štruktúre hmoty systematizoval A. M. Butlerov (1861). Teória chemickej väzby sa ďalej rozvíjala vďaka doktríne periodickej zmeny vlastností prvkov. Jej autorom je ďalší vynikajúci ruský chemik D. I. Mendelejev. Dokázal, že valencia chemických prvkov v zlúčeninách a ďalšie vlastnosti sú spôsobené pozíciou, ktorú zaujímajú v periodickom systéme.
Grafické znázornenie valencie a chemickej väzby
Možnosť vizuálnej reprezentácie molekúl je jednou z nesporných výhod teórie valencie. Prvé modely sa objavili v 60. rokoch 19. storočia a od roku 1864 sa používajú štruktúrne vzorce, čo sú kruhy s chemickým znakom vo vnútri. Medzi symbolmi atómov pomlčka označuje chemickú väzbu a počet týchto riadkov sa rovná hodnote valencie. V tých istých rokoch boli vyrobené prvé modely guľôčkových palíc (pozri fotografiu vľavo). V roku 1866 Kekule navrhol stereochemickú kresbu atómu.uhlík vo forme štvorstenu, ktorý zaradil do svojej učebnice Organická chémia.
Valenciou chemických prvkov a vznikom väzieb sa zaoberal G. Lewis, ktorý svoje práce publikoval v roku 1923 po objavení elektrónu. Toto je názov najmenších negatívne nabitých častíc, ktoré sú súčasťou obalov atómov. Lewis vo svojej knihe použil bodky okolo štyroch strán symbolu chemického prvku na znázornenie valenčných elektrónov.
Valencia pre vodík a kyslík
Pred vytvorením periodického systému sa valencia chemických prvkov v zlúčeninách zvyčajne porovnávala s tými atómami, pre ktoré je známa. Ako štandardy boli zvolené vodík a kyslík. Iný chemický prvok pritiahol alebo nahradil určitý počet atómov H a O.
Týmto spôsobom boli určené vlastnosti zlúčenín s jednomocným vodíkom (valencia druhého prvku je označená rímskou číslicou):
- HCl - chlór (I):
- H2O - kyslík (II);
- NH3 - dusík (III);
- CH4 - uhlík (IV).
V oxidoch K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 určil kyslíkovú valenciu kovov a nekovov zdvojnásobením počtu pridaných atómov O. Získali sa nasledujúce hodnoty: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Ako určiť valenciu chemických prvkov
Vo vytváraní chemickej väzby v bežnej elektronike existujú určité zákonitostipáry:
- Typická valencia vodíka je I.
- Obvyklá valencia kyslíka - II.
- Pre nekovové prvky môže byť najnižšia valencia určená vzorcom 8 - číslom skupiny, v ktorej sa nachádzajú v periodickom systéme. Najvyššie, ak je to možné, je určené číslom skupiny.
- Pre prvky sekundárnych podskupín je maximálna možná valencia rovnaká ako ich číslo skupiny v periodickej tabuľke.
Určenie valencie chemických prvkov podľa vzorca zlúčeniny sa vykonáva pomocou nasledujúceho algoritmu:
- Napíšte známu hodnotu jedného z prvkov nad chemický znak. Napríklad v Mn2O7 je valencia kyslíka II.
- Vypočítajte celkovú hodnotu, pre ktorú musíte vynásobiť valenciu počtom atómov toho istého chemického prvku v molekule: 27=14.
- Určite valenciu druhého prvku, pre ktorý nie je známy. Vydeľte hodnotu získanú v kroku 2 počtom atómov Mn v molekule.
- 14: 2=7. Valencia mangánu v jeho vyššom oxide je VII.
Konštantná a premenlivá valencia
Hodnoty valencie pre vodík a kyslík sú rôzne. Napríklad síra v zlúčenine H2S je dvojmocná a vo vzorci SO3 je šesťmocná. Uhlík tvorí s kyslíkom oxid uhoľnatý CO a oxid CO2. V prvej zlúčenine je valencia C II a v druhej zlúčenine IV. Rovnaká hodnota v metáne CH4.
Najviacprvky nevykazujú konštantnú, ale premenlivú mocnosť, napríklad fosfor, dusík, síra. Hľadanie hlavných príčin tohto javu viedlo k vzniku teórií chemických väzieb, predstáv o valenčnom obale elektrónov a molekulových orbitáloch. Existencia rôznych hodnôt tej istej vlastnosti bola vysvetlená z hľadiska štruktúry atómov a molekúl.
Moderné nápady o valencii
Všetky atómy pozostávajú z kladného jadra obklopeného záporne nabitými elektrónmi. Vonkajší obal, ktorý tvoria, je nedokončený. Hotová štruktúra je najstabilnejšia, obsahuje 8 elektrónov (oktet). Vznik chemickej väzby v dôsledku spoločných elektrónových párov vedie k energeticky priaznivému stavu atómov.
Pravidlom pre tvorbu zlúčenín je dokončenie obalu prijatím elektrónov alebo odovzdaním nepárových - podľa toho, ktorý proces je jednoduchší. Ak atóm zabezpečuje vytvorenie chemickej väzby záporných častíc, ktoré nemajú pár, potom tvorí toľko väzieb, koľko má nepárových elektrónov. Podľa moderných koncepcií je valencia atómov chemických prvkov schopnosťou vytvárať určitý počet kovalentných väzieb. Napríklad v molekule sírovodíka H2S získava síra valenciu II (–), pretože každý atóm sa podieľa na tvorbe dvoch elektrónových párov. Znamienko „–“označuje príťažlivosť elektrónového páru k elektronegatívnejšiemu prvku. Pre menej elektronegatívnu hodnotu sa k hodnote valencie pripočíta „+“.
S mechanizmom donor-akceptor sa procesu zúčastňujú elektrónové páry jedného prvku a voľné valenčné orbitály iného prvku.
Závislosť valencie od štruktúry atómu
Pozrime sa na príklade uhlíka a kyslíka, ako mocnosť chemických prvkov závisí od štruktúry látky. Periodická tabuľka poskytuje predstavu o hlavných charakteristikách atómu uhlíka:
- chemický znak - C;
- číslo prvku - 6;
- nabitie jadra - +6;
- protóny v jadre - 6;
- elektróny - 6 vrátane 4 externých, z ktorých 2 tvoria pár, 2 sú nepárové.
Ak atóm uhlíka v oxide CO vytvorí dve väzby, použije sa iba 6 negatívnych častíc. Na získanie oktetu je potrebné, aby páry tvorili 4 vonkajšie negatívne častice. Uhlík má valenciu IV (+) v oxide a IV (–) v metáne.
Poradové číslo kyslíka je 8, valenčný obal pozostáva zo šiestich elektrónov, 2 z nich netvoria páry a podieľajú sa na chemickej väzbe a interakcii s inými atómami. Typická kyslíková valencia je II (–).
Valencia a oxidačný stav
V mnohých prípadoch je vhodnejšie použiť pojem „oxidačný stav“. Toto je názov pre náboj atómu, ktorý by získal, keby sa všetky väzbové elektróny preniesli na prvok, ktorý má vyššiu hodnotu elektronegativity (EO). Oxidačné číslo v jednoduchej látke jenula. Znamienko „–“sa pridáva k oxidačnému stavu prvku s vyšším obsahom EO, znamienko „+“k menej elektronegatívnemu prvku. Napríklad pre kovy hlavných podskupín sú typické oxidačné stavy a iónové náboje, ktoré sa rovnajú číslu skupiny so znamienkom „+“. Vo väčšine prípadov sú valencia a oxidačný stav atómov v tej istej zlúčenine číselne rovnaké. Len pri interakcii s viac elektronegatívnymi atómami je oxidačný stav pozitívny, pri prvkoch, v ktorých je EO nižší, je negatívny. Pojem „valencia“sa často používa iba na látky s molekulárnou štruktúrou.
