Вызначаем валентнасць хімічных элементаў

Узровень ведаў аб будынку атамаў і малекул у XIX стагоддзі не дазваляў растлумачыць прычыну, па якой атамы ўтвараюць вызначаны лік сувязяў з іншымі часціцамі. Але ідэі навукоўцаў апярэдзілі свой час, а валентнасць дагэтуль вывучаецца як адзін з асноўных прынцыпаў хіміі.

З гісторыі ўзнікнення паняцця "валентнасць хімічных элементаў»

Выбітны англійская хімік XIX стагоддзя Эдвард Франкленд ўвёў тэрмін «сувязь» у навуковы ўжытак для апісання працэсу ўзаемадзеяння атамаў адзін з адным. Вучоны заўважыў, што некаторыя хімічныя элементы ўтвараюць злучэння з адным і тым жа колькасцю іншых атамаў. Напрыклад, азот далучае тры атама вадароду ў малекуле аміяку.

У траўні 1852 года Франкленд высунуў гіпотэзу аб тым, што існуе канкрэтнае лік хімічных сувязяў, якія атам можа ўтвараць з іншымі драбнюткімі часціцамі рэчывы. Франкленд выкарыстаў фразу «злучальная сіла» для апісання таго, што пазней будзе названа валентнасці. Брытанскі хімік усталяваў, колькі хімічных сувязяў фармуюць атамы асобных элементаў, вядомых у сярэдзіне XIX стагоддзя. Праца Франкленда стала важным укладам у сучасную структурную хімію.

развіццё поглядаў

Нямецкі хімік Ф.А. Кекуле даказаў ў 1857 годзе, што вуглярод з'яўляецца четырехосновным. У яго найпростым злучэнні - кіданне - узнікаюць сувязі з 4 атамамі вадароду. Тэрмін «асноўнага» навуковец ўжываў для абазначэння ўласцівасці элементаў далучаць строга пэўную колькасць іншых часціц. У Расіі дадзеныя аб будове рэчыва сістэматызаваў А. М. Бутлер (1861). Далейшае развіццё тэорыя хімічнай сувязі атрымала дзякуючы вучэньня аб перыядычным змене уласцівасцяў элементаў. Яго аўтар - іншы выбітны рускі хімік, Д. І. Мендзялееў. Ён даказаў, што валентнасць хімічных элементаў у злучэннях і іншыя ўласцівасці абумоўленыя тым становішчам, якое яны займаюць у перыядычнай сістэме.

Графічная выява валентнасці і хімічнай сувязі

Магчымасць навочнага малюнка малекул - адно з несумнеўных вартасцяў тэорыі валентнасці. Першыя мадэлі з'явіліся ў 1860-х, а з 1864 года выкарыстоўваюцца структурныя формулы, якія ўяўляюць сабой акружнасці з хімічным знакам ўнутры. Паміж сімваламі атамаў рысачкай пазначаецца хімічная сувязь, а колькасць гэтых ліній роўна значэнню валентнасці. У тыя ж гады былі выраблены першыя шаростержневые мадэлі (гл. Фота злева). У 1866 годзе Кекуле прапанаваў стереохимический малюнак атама вугляроду ў форме тэтраэдра, які ён і ўключыў у свой падручнік «Арганічная хімія".

Валентнасць хімічных элементаў і ўзнікненне сувязяў вывучаў Г. Льюіс, які апублікаваў свае працы ў 1923 годзе пасьля адкрыцця электрона. Так называюцца адмоўна зараджаныя драбнюткія часціцы, якія ўваходзяць у склад абалонак атамаў. У сваёй кнізе Льюіс ужыў пункту вакол чатырох бакоў сімвала хімічнага элемента для адлюстравання валентных электронаў.

Валентнасць па вадароду і кіслароду

Да стварэння перыядычнай сістэмы валентнасць хімічных элементаў у злучэннях прынята было параўноўваць з тымі атамамі, для якіх яна вядомая. У якасці эталонаў былі абраныя вадарод і кісларод. Іншы хімічны элемент прыцягваў альбо замяшчаў пэўную колькасць атамаў H і O.

Такім спосабам вызначалі ўласцівасці ў злучэннях з одновалентного вадародам (валентнасць другога элемента пазначаная рымскай лічбай):

• HCl - хлор (I):
• H ₂ O - кісларод (II);
• NH ₃ - азот (III);
• CH ₄ - вуглярод (IV).

У аксіду K ₂ O, CO, N ₂ O _3, SiO _2, SO ₃ вызначалі валентнасць па кіслароду металаў і неметаллов, падвоіўшы колькасць далучаюцца атамаў O. Атрымлівалі наступныя значэнні: K (I), C (II), N (III) , Si (IV), S (VI).

Як вызначаць валентнасць хімічных элементаў

Існуюць заканамернасці адукацыі хімічнай сувязі з удзелам агульных электронных пар:

• Тыповая валентнасць вадароду - I.
• Звычайная валентнасць кіслароду - II.
• Для элементаў-неметаллов найнізкую валентнасць можна вызначыць па формуле 8 - № групы, у якой яны знаходзяцца ў перыядычнай сістэме. Вышэйшая, калі яна магчымая, вызначаецца па нумары групы.
• Для элементаў пабочных падгруп максімальна магчымая валентнасць такая ж, як нумар іх групы ў перыядычным табліцы.

Вызначэнне валентнасці хімічных элементаў па формуле злучэння праводзіцца з выкарыстаннем наступнага алгарытму:

1. Запішыце зверху над хімічным знакам вядомае значэнне для аднаго з элементаў. Напрыклад, у Mn ₂ O ₇ валентнасць кіслароду роўная II.
2. Вылічыце сумарную велічыню, для чаго неабходна памножыць валентнасць на колькасць атамаў таго ж хімічнага элемента ў малекуле: 2 * 7 = 14.
3. Вызначыце валентнасць другога элемента, для якога яна невядомая. Падзяліце атрыманую ў п. 2 велічыню на колькасць атамаў Mn ў малекуле.
4. 14: 2 = 7. Валентнасць марганца ў яго вышэйшым аксіду - VII.

Пастаянная і зменная валентнасць

Значэння валентнасці па вадароду і кіслароду адрозніваюцца. Напрыклад, сера ў злучэнні H ₂ S двухвалентным, а ў формуле SO ₃ - шасцівалентны. Вуглярод ўтварае з кіслародам монааксід CO і дыяксід CO _2. У першым злучэнні валентнасць C роўная II, а ў другім - IV. Такое ж значэнне ў метане CH _4.

Большасць элементаў праяўляе ня пастаянную, а зменную валентнасць, напрыклад, фосфар, азот, сера. Пошукі асноўных прычын гэтай з'явы прывялі да ўзнікнення тэорый хімічнай сувязі, уяўленняў аб валентнай абалонцы электронаў, малекулярных арбіталей. Існаванне розных значэнняў аднаго і таго ж ўласцівасці атрымала тлумачэнне з пазіцый будынка атамаў і малекул.

Сучасныя ўяўленні аб валентнасці

Усе атамы складаюцца з станоўчага ядра, акружанага адмоўна зараджанымі электронамі. Вонкавая абалонка, якую яны ўтвараюць, бывае недабудаванай. Завершаная структура найбольш устойлівая, яна змяшчае 8 электронаў (актэт). Узнікненне хімічнай сувязі дзякуючы агульным электронным парам прыводзіць да энергетычна выгаднаму стане атамаў.

Правілам для фарміравання злучэнняў з'яўляецца завяршэнне абалонкі шляхам прыёму электронаў небудзь аддачы неспаренных - у залежнасці ад таго, які працэс лягчэй праходзіць. Калі атам прадастаўляе для адукацыі хімічнай сувязі адмоўныя часціцы, якія не маюць пары, то сувязяў ён утворыць столькі, колькі ў яго неспаренных электронаў. Па сучасных уяўленнях, валентнасць атамаў хімічных элементаў - гэта здольнасць да адукацыі вызначанага ліку кавалентных сувязяў. Напрыклад, у малекуле серавадароду H ₂ S сера набывае валентнасць II (-), паколькі кожны атам прымае ўдзел у адукацыі двух электронных пар. Знак «-» паказвае на прыцягненне электроннай пары да больш Электраадмо элементу. У менш Электраадмо да значэння валентнасці дапісваюць «+».

Пры донорно-акцэптарных механізме ў працэсе прымаюць удзел электронныя пары аднаго элемента і свабодныя валентныя арбіталь іншага.

Залежнасць валентнасці ад будынка атама

Разгледзім на прыкладзе вугляроду і кіслароду, як залежыць ад будынка рэчывы валентнасць хімічных элементаў. Табліца Мендзялеева дае ўяўленне пра асноўныя характарыстыкі атама вугляроду:

• хімічны знак - C;
• нумар элемента - 6;
• зарад ядра - +6;
• пратонаў у ядры - 6;
• электронаў - 6, у тым ліку 4 знешніх, з якіх 2 ўтвараюць пару, 2 - неспаренных.

Калі атам вугляроду ў моноооксиде CO ўтварае дзве сувязі, то ў яго карыстанне паступае толькі 6 адмоўных часціц. Для набыцця актэта неабходна, каб пары ўтварылі 4 знешнія адмоўныя часціцы. Вуглярод мае валентнасць IV (+) у дыяксід і IV (-) у кіданне.

Парадкавы нумар кіслароду - 8, валентная абалонка складаецца з шасці электронаў, 2 з іх не ўтвараюць пары і прымаюць удзел у хімічнай сувязі і ўзаемадзеянні з іншымі атамамі. Тыповая валентнасць кіслароду - II (-).

Валентнасць і ступень акіслення

У вельмі многіх выпадках зручней выкарыстоўваць паняцце «ступень акіслення». Так называюць зарад атама, які ён набыў бы, калі б усе злучаюць электроны перайшлі да элемента, які мае вышэй значэнне электрооотрицательности (ЭА). Акісляльнае лік ў простым рэчыве роўна нулю. Да ступені акіслення больш ЭО элемента дадаецца знак «-», менш Электраадмо - «+». Напрыклад, для металаў галоўных падгруп тыповыя ступені акіслення і зарады іёнаў, роўныя нумары групы са знакам «+». У большасці выпадкаў валентнасць і ступень акіслення атамаў ў адным і тым жа злучэнні колькасна супадаюць. Толькі пры ўзаемадзеянні з больш Электраадмо атамамі ступень акіслення станоўчая, з элементамі, у якіх ЭО ніжэй, - адмоўная. Паняцце «валентнасць» часцяком ужываецца толькі да рэчываў малекулярнага будынкі.