Žinių apie atomų ir molekulių sandarą lygis XIX amžiuje neleido paaiškinti priežasties, kodėl atomai sudaro tam tikrą skaičių ryšių su kitomis dalelėmis. Tačiau mokslininkų idėjos buvo aplenkusios savo laiką, o valencija vis dar tiriama kaip vienas pagrindinių chemijos principų.
Iš sąvokos „cheminių elementų valentingumo“istorijos
Nuostabus XIX amžiaus anglų chemikas Edvardas Franklandas į mokslinį vartojimą įvedė terminą „ryšys“, kad apibūdintų atomų sąveikos procesą. Mokslininkas pastebėjo, kad kai kurie cheminiai elementai sudaro junginius su tiek pat kitų atomų. Pavyzdžiui, azotas sujungia tris vandenilio atomus amoniako molekulėje.
1852 m. gegužę Franklandas iškėlė hipotezę, kad yra tam tikras skaičius cheminių jungčių, kurias atomas gali sudaryti su kitomis mažytėmis medžiagos dalelėmis. Franklandas panaudojo frazę „jungiamoji jėga“, kad apibūdintų tai, kas vėliau bus vadinama valentingumu. Britų chemikas nustatė, kiekcheminiai ryšiai sudaro atskirų elementų atomus, žinomus XIX amžiaus viduryje. Franklando darbai buvo svarbus indėlis į šiuolaikinę struktūrinę chemiją.
Požiūrio ugdymas
Vokiečių chemikas F. A. Kekulė 1857 metais įrodė, kad anglis yra tetrabazinė. Paprasčiausiame junginyje - metane - yra jungtys su 4 vandenilio atomais. Mokslininkas terminą „baziškumas“vartojo elementų savybei pritvirtinti griežtai apibrėžtą kitų dalelių skaičių. Rusijoje duomenis apie materijos sandarą susistemino A. M. Butlerovas (1861). Cheminio ryšio teorija buvo toliau plėtojama dėl periodinio elementų savybių pasikeitimo doktrinos. Jo autorius – kitas iškilus rusų chemikas D. I. Mendelejevas. Jis įrodė, kad cheminių elementų valentingumas junginiuose ir kitos savybės priklauso nuo jų užimamos padėties periodinėje sistemoje.
Valentinės ir cheminės jungties grafinis vaizdas
Galimybė vizualiai pavaizduoti molekules yra vienas iš neabejotinų valentingumo teorijos pranašumų. Pirmieji modeliai pasirodė 1860-aisiais, o nuo 1864 metų buvo naudojamos struktūrinės formulės, kurios yra apskritimai su cheminiu ženklu viduje. Tarp atomų simbolių brūkšnys rodo cheminį ryšį, o šių eilučių skaičius yra lygus valentingumo reikšmei. Tais pačiais metais buvo pagaminti pirmieji modeliai su kamuoliuku ir lazdele (žr. nuotrauką kairėje). 1866 m. Kekulė pasiūlė stereocheminį atomo piešinį.anglies tetraedro pavidalu, kurią jis įtraukė į savo vadovėlį Organinė chemija.
Cheminių elementų valentiškumą ir ryšių atsiradimą tyrė G. Lewisas, kuris savo darbus paskelbė 1923 m., atradus elektroną. Tai yra mažiausių neigiamai įkrautų dalelių, kurios yra atomų apvalkalo dalis, pavadinimas. Savo knygoje Lewisas naudojo taškus aplink keturias cheminio elemento simbolio puses, kad pavaizduotų valentinius elektronus.
Vandenilio ir deguonies valencija
Prieš sukuriant periodinę sistemą cheminių elementų valentingumas junginiuose paprastai buvo lyginamas su tais atomais, kuriems jis žinomas. Vandenilis ir deguonis buvo pasirinkti kaip standartai. Kitas cheminis elementas pritraukė arba pakeitė tam tikrą skaičių H ir O atomų.
Tokiu būdu buvo nustatytos junginių su vienavalenčiu vandeniliu savybės (antrojo elemento valentingumas nurodomas romėnišku skaitmeniu):
- HCl – chloras (I):
- H2O - deguonis (II);
- NH3 - azotas (III);
- CH4 – anglis (IV).
Oksiduose K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 nustatė metalų ir nemetalų deguonies valentingumą padvigubinant pridėtų O atomų skaičių. Gautos šios vertės: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kaip nustatyti cheminių elementų valentingumą
Yra dėsningumų formuojant cheminę jungtį, apimančią bendrą elektroninęporos:
- Tipinis vandenilio valentingumas yra I.
- Įprastas deguonies valentingumas – II.
- Nemetaliniams elementams mažiausią valentiškumą galima nustatyti pagal formulę 8 – grupės, kurioje jie yra, skaičius periodinėje sistemoje. Didžiausias, jei įmanoma, nustatomas pagal grupės numerį.
- Antrinių pogrupių elementų didžiausias galimas valentingumas yra toks pat, kaip ir jų grupės numeris periodinėje lentelėje.
Cheminių elementų valentingumo nustatymas pagal junginio formulę atliekamas naudojant šį algoritmą:
- Įrašykite žinomą vieno iš elementų vertę virš cheminio ženklo. Pavyzdžiui, Mn2O7 deguonies valentingumas yra II.
- Apskaičiuokite bendrą vertę, kurios valentingumą reikia padauginti iš to paties cheminio elemento atomų skaičiaus molekulėje: 27=14.
- Nustatykite antrojo elemento, kuriam jis nežinomas, valentiškumą. 2 veiksme gautą reikšmę padalinkite iš Mn atomų skaičiaus molekulėje.
- 14: 2=7. Mangano valentingumas jo didesniame okside yra VII.
Pastovi ir kintama valencija
Vandenilio ir deguonies valencijos vertės skiriasi. Pavyzdžiui, siera junginyje H2S yra dvivalentė, o formulėje SO3 – šešiavalenti. Su deguonimi anglis sudaro monoksidą CO ir dioksidą CO2. Pirmajame junginyje C valentingumas yra II, o antrajame - IV. Ta pati metano vertė CH4.
DaugumaElementai pasižymi ne pastoviu, o kintamu valentiškumu, pavyzdžiui, fosforo, azoto, sieros. Ieškant pagrindinių šio reiškinio priežasčių, atsirado cheminių ryšių teorijos, idėjos apie elektronų valentinį apvalkalą ir molekulines orbitales. Skirtingų tos pačios savybės reikšmių egzistavimas buvo paaiškintas atomų ir molekulių sandaros požiūriu.
Šiuolaikinės idėjos apie valenciją
Visus atomus sudaro teigiamas branduolys, apsuptas neigiamai įkrautų elektronų. Jų suformuotas išorinis apvalkalas yra nebaigtas. Užbaigta struktūra yra pati stabiliausia, joje yra 8 elektronai (oktetas). Cheminio ryšio atsiradimas dėl bendrų elektronų porų lemia energetiškai palankią atomų būseną.
Junginių susidarymo taisyklė – apvalkalo užbaigimas priimant elektronus arba atiduodant nesuporuotus – priklausomai nuo to, kuris procesas lengvesnis. Jei atomas numato cheminio ryšio neigiamų dalelių, kurios neturi poros, susidarymą, tada jis sudaro tiek ryšių, kiek turi nesuporuotų elektronų. Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, cheminių elementų atomų valentingumas yra galimybė sudaryti tam tikrą skaičių kovalentinių ryšių. Pavyzdžiui, vandenilio sulfido molekulėje H2S siera įgyja valentiškumą II (–), nes kiekvienas atomas dalyvauja formuojant dvi elektronų poras. „–“ženklas rodo elektronų poros pritraukimą prie labiau elektronegatyvesnio elemento. Mažiau elektronegatyvaus atveju prie valentingumo vertės pridedamas „+“.
Su donoro-akceptoriaus mechanizmu procese dalyvauja vieno elemento elektronų poros ir kito elemento laisvosios valentinės orbitalės.
Valentiškumo priklausomybė nuo atomo struktūros
Pažiūrėkime į anglies ir deguonies pavyzdį, kaip cheminių elementų valentingumas priklauso nuo medžiagos struktūros. Periodinė lentelė suteikia idėją apie pagrindines anglies atomo charakteristikas:
- cheminis ženklas - C;
- elemento numeris – 6;
- pagrindinis mokestis - +6;
- protonai branduolyje - 6;
- elektronai – 6, įskaitant 4 išorinius, iš kurių 2 sudaro porą, 2 yra nesuporuoti.
Jei anglies atomas CO monokside sudaro dvi jungtis, tada sunaudojama tik 6 neigiamos dalelės. Norint įgyti oktetą, būtina, kad poros sudarytų 4 išorines neigiamas daleles. Anglies valentingumas IV (+) dioksiduose ir IV (–) metane.
Eilinis deguonies skaičius yra 8, valentinis apvalkalas susideda iš šešių elektronų, 2 iš jų nesudaro porų ir dalyvauja cheminiuose ryšiuose bei sąveikoje su kitais atomais. Tipiškas deguonies valentas yra II (–).
Valencija ir oksidacijos būsena
Daugeliu atvejų patogiau vartoti „oksidacijos būsenos“sąvoką. Taip vadinamas atomo krūvis, kurį jis įgytų, jei visi jungiantys elektronai būtų perkelti į elementą, kurio elektronegatyvumo (EO) vertė yra didesnė. Oksidacijos skaičius paprastoje medžiagoje yranulis. „–“ženklas pridedamas prie daugiau EO elemento oksidacijos būsenos, „+“ženklas pridedamas prie mažiau elektroneigiamo. Pavyzdžiui, pagrindinių pogrupių metalams būdingos oksidacijos būsenos ir jonų krūviai, lygūs grupės numeriui su „+“ženklu. Daugeliu atvejų tame pačiame junginyje esančių atomų valentingumas ir oksidacijos būsena yra vienodi. Tik sąveikaujant su daugiau elektronneigiamų atomų oksidacijos būsena yra teigiama, su elementais, kuriuose EO yra mažesnis, yra neigiamas. „Valencijos“sąvoka dažnai taikoma tik molekulinės struktūros medžiagoms.
