Ako určiť valenciu roztoku chemických zlúčenín. Algoritmus na určenie valencie podľa vzorcov chemických prvkov
Úroveň vedomostí o štruktúre atómov a molekúl v 19. storočí neumožňovala vysvetliť dôvod, prečo atómy vytvárajú určitý počet väzieb s inými časticami. Ale nápady vedcov 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, aby opísal proces vzájomného pôsobenia atómov. Vedec si všimol, že niektoré chemické prvky tvoria zlúčeniny s rovnakým počtom iných atómov. Napríklad dusík pripája tri atómy vodíka k 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, koľko chemických väzieb tvoria atómy jednotlivých prvkov známych v polovici 19. storočia. Franklandova práca bola dôležitým príspevkom k modernej štruktúrnej chémii.
Vývoj názorov
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 definované množstvo iných častíc. V Rusku údaje o systematizoval A. M. Butlerov (1861). Teória chemickej väzby sa ďalej rozvíjala vďaka doktríne periodickej zmeny vlastností prvkov. Jej autorom je ďalší vynikajúci D. I. Mendelejev. Dokázal, že valencia chemických prvkov v zlúčeninách a ďalšie vlastnosti sú spôsobené polohou, ktorú zaujímajú v periodickom systéme.
Grafické znázornenie valencie a chemickej väzby
Možnosť vizuálnej reprezentácie molekúl je jednou z nepochybných výhod teórie valencie. Prvé modely sa objavili v 60. rokoch 19. storočia a od roku 1864 sa začali používať kruhy s chemickým znakom vo vnútri. Medzi symbolmi atómov je vyznačená pomlčka a počet týchto čiar sa rovná hodnote valencie. V tých istých rokoch boli vyrobené prvé modely guľôčkových palíc (pozri fotografiu vľavo). V roku 1866 Kekule navrhol stereochemický nákres atómu uhlíka vo forme štvorstenu, ktorý zahrnul do svojej učebnice Organická chémia.
Valenciou chemických prvkov a tvorbou väzieb sa zaoberal G. Lewis, ktorý publikoval svoje práce v roku 1923 podľa názvu záporne nabitých najmenších častíc, ktoré tvoria obaly 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 stanovené vlastnosti zlúčenín s jednomocným vodíkom (valencia druhého prvku je označená rímskou číslicou):
- HCl - chlór (I):
- H20 - kyslík (II);
- NH3 - dusík (III);
- CH4 - uhlík (IV).
V oxidoch K 2 O, CO, N 2 O 3, SiO 2, SO 3 bola kyslíková valencia kovov a nekovov stanovená zdvojnásobením počtu pridaných atómov O. Získali sa tieto hodnoty: K (I C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Ako určiť valenciu chemických prvkov
Existujú zákonitosti vo vytváraní chemickej väzby za účasti spoločného elektrónové páry:
- Typická valencia vodíka je I.
- Obvyklá valencia kyslíka je II.
- Pre nekovové prvky možno najnižšiu valenciu určiť vzorcom 8 - číslom skupiny, v ktorej sa nachádzajú v periodickom systéme. Najvyššie, ak je to možné, je určené číslom skupiny.
- Pre prvky vedľajších podskupín je maximálna možná valencia rovnaká ako ich číslo skupiny v periodickej tabuľke.
Stanovenie valencie chemických prvkov podľa vzorca zlúčeniny sa vykonáva pomocou nasledujúceho algoritmu:
- Napíšte známu hodnotu jedného z prvkov nad chemický znak. Napríklad v Mn207 je kyslíková valencia II.
- Vypočítajte celkovú hodnotu, pre ktorú je potrebné vynásobiť valenciu počtom atómov toho istého chemického prvku v molekule: 2 * 7 \u003d 14.
- Určte valenciu druhého prvku, pre ktorý nie je známy. Vydeľte hodnotu získanú v kroku 2 počtom atómov Mn v molekule.
- 14: 2 = 7. vo svojom najvyššom oxide - VII.
Konštantná a variabilná valencia
Hodnoty valencie pre vodík a kyslík sú odlišné. Napríklad síra v zlúčenine H2S je dvojmocná a vo vzorci S03 je šesťmocná. Uhlík tvorí s kyslíkom oxid CO a oxid CO 2 . V prvej zlúčenine je valencia C II a v druhej zlúčenine IV. Rovnaká hodnota v metáne CH 4 .
Väčšina prvkov nevykazuje 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 rôzne hodnoty rovnaká vlastnosť bola vysvetlená z hľadiska štruktúry atómov a molekúl.
Moderné predstavy 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 darovaním nepárových, podľa toho, ktorý proces je jednoduchší. Ak atóm zabezpečuje tvorbu chemickej väzby negatívne častice, 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 viac elektronegatívnemu prvku. Pre menej elektronegatívnu hodnotu sa k valenčnej hodnote pripočíta „+“.
Pri mechanizme donor-akceptor sa procesu zúčastňujú elektrónové páry jedného prvku a voľné valenčné orbitály iného prvku.
Závislosť valencie od štruktúry atómu
Uvažujme 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;
- jadrové nabíjanie - +6;
- protóny v jadre - 6;
- elektróny - 6, vrátane 4 vonkajších, z ktorých 2 tvoria pár, 2 sú nepárové.
Ak atóm uhlíka oxidu uhoľnatého vytvára dve väzby, potom sa používa 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, z ktorých 2 netvoria pár a podieľajú sa na chemickej väzbe a interakcii s inými atómami. Typická valencia kyslíka 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 je nula. Znamienko „-“ sa pridáva k oxidačnému stavu viac EO prvku, znamienko „+“ sa pridáva 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.
Jeden z najdôležitejších v štúdii školské témy je sadzba týkajúca sa valencie. O tom sa bude diskutovať v článku.
Valence - čo to je?
Valencia v chémii znamená vlastnosť atómov chemického prvku viazať na seba atómy iného prvku. Preložené z latinčiny - sila. Vyjadruje sa v číslach. Napríklad valencia vodíka bude vždy rovná jednej. Ak vezmeme vzorec voda – H2O, dá sa znázorniť ako H – O – H. Jeden atóm kyslíka dokázal na seba naviazať dva atómy vodíka. To znamená, že počet väzieb, ktoré kyslík vytvára, sú dve. A valencia tohto prvku sa bude rovnať dvom.
Na druhej strane vodík bude dvojmocný. Jeho atóm môže byť spojený iba s jedným atómom chemického prvku. V tomto prípade kyslík. Presnejšie povedané, atómy v závislosti od valencie prvku tvoria elektrónové páry. Koľko takýchto párov sa vytvorí - taká bude valencia. Číselná hodnota sa nazýva index. Kyslík má index 2.
Ako určiť valenciu chemických prvkov podľa tabuľky Dmitrija Mendeleeva
Pri pohľade na periodickú tabuľku prvkov môžete vidieť zvislé riadky. Nazývajú sa skupiny prvkov. Valencia závisí aj od skupiny. Prvky prvej skupiny majú prvú valenciu. Druhý je druhý. Tretia - tretia. A tak ďalej.
Existujú aj prvky s konštantným valenčným indexom. Napríklad vodík, halogénová skupina, striebro atď. Musia sa naučiť.
Ako určiť valenciu chemických prvkov podľa vzorcov?
Niekedy je ťažké určiť valenciu z periodickej tabuľky. Potom sa musíte pozrieť na konkrétny chemický vzorec. Vezmite oxid FeO. Tu má železo, podobne ako kyslík, index valencie dva. Ale v oxide Fe2O3 je to iné. Železo bude trojmocné.
Vždy je potrebné pamätať na rôzne spôsoby určovania valencie a nezabúdať na ne. Poznať jeho konštantné číselné hodnoty. Ktoré prvky ich majú. A samozrejme použite tabuľku chemických prvkov. A tiež študovať individuálne chemické vzorce. Je lepšie ich znázorniť v schematickej forme: napríklad H - O - H. Potom sú viditeľné spojenia. A počet pomlčiek (pomlčiek) bude číselná hodnota valencie.
prvok;
> predpovedať možné hodnoty valencie prvku na základe jeho umiestnenia v periodickom systéme;
> určiť valenčné hodnoty prvkov v binárnych zlúčeninách podľa ich vzorcov;
> zostaviť vzorce pre binárne zlúčeniny na základe valenčných hodnôt prvkov.
Valenčná hodnota prvku, ak je to potrebné, je v chemickom vzorci označená rímskou číslicou nad jeho symbolom: V matematických výpočtoch a texte sa na to používajú arabské číslice.
Určte valenciu prvkov v molekulách amoniaku NH 3 a metánu CH 4.
Informáciu o mocnosti prvkov v látke možno znázorniť aj iným spôsobom. Po prvé, symboly každého atómu v molekule sú napísané v určitej vzdialenosti od seba. Potom je jednomocný atóm spojený s druhým jednou pomlčkou, od dvojmocného atómu sú nakreslené dve pomlčky atď.:
Takéto vzorce sa nazývajú grafické. Ukazujú poradie, v ktorom sú atómy spojené v molekulách.
Molekula jednoduchej vodíkovej látky má grafiku vzorec H-H. Podobné sú grafické vzorce molekúl fluóru, chlóru, brómu, jódu. Grafický vzorec molekuly kyslíka je 0=0 a molekuly dusíka.
Pri zostavovaní takýchto vzorcov pre molekuly komplexných látok je potrebné mať na pamäti, že atómy jedného prvku spravidla nie sú vzájomne prepojené.
Nakreslite grafické vzorce molekúl amoniaku a metánu.
Z grafického vzorca molekuly je ľahké určiť valenciu každého atómu. Hodnota valencie sa rovná počtu čiarok, ktoré pochádzajú z atómu.
Pre zlúčeniny iónovej a atómovej štruktúry sa grafické vzorce nepoužívajú.
Valencia prvku a jeho umiestnenie v periodickom systéme.
Niektorí prvkov mať stálu valenciu.
Je to zaujímavé
AT začiatkom XIX v. z hľadiska zloženia chemické zlúčeniny dominoval
princíp „maximálnej jednoduchosti“. Takže vzorec pre vodu bol napísaný HO, nie H2O.
Vodík a fluór sú vždy monovalentné a Kyslík- dvojmocný. Ostatné prvky s konštantnou valenciou sú v skupinách I-III periodického systému a hodnota valencie každého prvku sa zhoduje s číslom skupiny. Prvok skupiny I Lítium je teda jednomocný, prvok skupiny II horčík je dvojmocný a prvok skupiny III bór je trojmocný. Výnimkou sú prvky skupiny I Cuprum (valenčné hodnoty - I a 2) a Aurum (I a 3).
Väčšina prvkov má variabilnú valenciu. Tu sú jeho hodnoty pre niektoré z nich:
Plumbum (skupina IV) - 2,4;
Fosfor (skupina V) - 3,5;
chróm (skupina VI) - 2, 3, 6;
síra (skupina VI) - 2, 4, 6;
Mangan (skupina VII) - 2, 4, 6, 7;
Chlór (skupina VII) - I, 3, 5, 7.
Vyplýva to z tejto informácie dôležité pravidlo: maximálna hodnota valencie prvku je rovnaká ako číslo skupiny, v ktorej sa nachádza1. Pretože v periodický systém osem skupín, potom hodnoty valencie prvkov môžu byť od I do 8.
Existuje ešte jedno pravidlo: hodnota valencie nekovového prvku v kombinácii s vodíkom alebo s kovovým prvkom je 8 mínus číslo skupiny, v ktorej sa prvok nachádza. Potvrdíme si to na príkladoch zlúčenín prvkov s vodíkom. Prvok skupiny VII Jód v jódovodíku HI je jednomocný (8-7=1), prvok skupiny VI Kyslík vo vode H 2 O je dvojmocný (8-6 = 2), prvok skupiny V Dusík v amoniaku
NH3 je trojmocný (8 - 5 = 3).
Stanovenie valencie prvkov v binárnej zlúčenine podľa jej vzorca.
Binárna 2 je zlúčenina tvorená dvoma prvkami.
1 Existuje niekoľko výnimiek.
2 Termín pochádza z Latinské slovo binarius - dvojitý; pozostávajúce z dvoch častí.
Je to zaujímavé
Vzorce zlúčenín tvorených tromi alebo viacerými prvkami sú rôzne.
Je potrebné zistiť hodnotu valencie prvku v zlúčenine, keď prvok má premennú valenciu. Ako to robia cvičenie Ukážme si príklad.
Nájdite hodnotu valencie jódu v jeho kombinácii s kyslíkom, ktorý má vzorec I 2 O 5.
Viete, že kyslík je dvojmocný prvok. Hodnotu jeho valencie napíšeme nad symbol tohto prvku v chemickom vzorci zlúčeniny:. Na 5 atómov kyslíka pripadá 2 * 5 = 10 valenčných jednotiek. Treba ich „rozložiť“ medzi dva atómy jódu (10: 2 = 5). Z toho vyplýva, že jód v zlúčenine je päťmocný.
Zložený vzorec s označením valencie prvkov -
Určte valenciu prvkov v zlúčeninách so vzorcami CO 2 a Cl 2 O 7.
Zostavovanie chemických vzorcov zlúčenín podľa mocnosti prvkov.
Urobme úlohu opačnú k predchádzajúcej - vytvoríme chemický vzorec zlúčeniny síry s kyslíkom, v ktorej je síra šesťmocná.
Najprv si zapíšeme symboly prvkov, ktoré tvoria zlúčeninu, a nad nimi uvedieme hodnoty valencie:. Potom nájdeme najmenšie číslo, ktorá sa bezo zvyšku delí oboma hodnotami valencie. Toto číslo je 6. Vydelíme ho valenčnou hodnotou každého prvku a získame zodpovedajúce indexy v chemickom vzorci zlúčeniny: 
.
Na kontrolu chemického vzorca sa používa pravidlo: produkty valenčných hodnôt každého prvku podľa počtu jeho atómov vo vzorci sú rovnaké. Tieto produkty sú pre práve odvodený chemický vzorec: 6 -1 = 2-3.
Pamätajte, že vo vzorcoch zlúčenín, vrátane binárnych, sa najskôr zapisujú symboly kovových prvkov a potom nekovových. Ak je zlúčenina tvorená len nekovovými prvkami a medzi nimi je kyslík alebo fluór, potom sa tieto prvky zaznamenávajú ako posledné.
Je to zaujímavé
Poradie zápisu prvkov do vzorca pre kombináciu kyslíka s fluórom je: OF 2.
Napíšte chemické vzorce zlúčenín bóru s fluórom a kyslíkom.
Dôvody vzájomného spojenia atómov a vysvetlenie valenčných hodnôt prvkov súvisia so štruktúrou atómov. Tento materiál sa bude preberať v 8. ročníku.
závery
Valencia je schopnosť atómu spájať sa s určitým počtom rovnakých alebo iných atómov.
Existujú prvky s konštantnou a premenlivou valenciou. Vodík a fluór sú vždy jednomocné, kyslík je dvojmocný.
Hodnoty valencie prvkov sa odrážajú v grafických vzorcoch molekúl zodpovedajúcim počtom pomlčiek v blízkosti atómov.
Produkty valenčných hodnôt každého prvku počtom jeho atómov vo vzorci binárnej zlúčeniny sú rovnaké.
?
75. Čo je to valencia? Aké sú maximálne a minimálne hodnoty valencie chemických prvkov.
76. Označte symboly prvkov s konštantnou valenciou: K, Ca, Cu, Cl, Zn, F, H.
77. Určte valenciu všetkých prvkov v zlúčeninách, ktoré majú nasledujúce vzorce: 
78. Určte valenciu prvkov v zlúčeninách s nasledujúcimi vzorcami:
a) BaH2, V205, MoS3, SiF4, Li3P; b) CuS, TiCl4, Ca3N2, P203, Mn207.
79. Napíšte vzorce pre zlúčeniny tvorené prvkami s konštantnou valenciou: Na...H..., Ba...F..., Al...О..., AI...F....
80. Vytvorte vzorce zlúčenín s použitím naznačených mocností niektorých prvkov:
81. Napíšte vzorce zlúčenín s kyslíkom týchto prvkov: a) Lítium; b) horčík; c) Osmium (ukazuje valenciu 4 a 8).
82. Nakreslite grafické vzorce molekúl CI 2 O, PH 3, SO 3.
83. Určte valenciu prvkov podľa grafických vzorcov molekúl:
Vo voľnom čase
"Konštrukcia" molekúl
Ryža. 45. Model molekuly metánu CH 4
Podľa grafických vzorcov je možné zhotoviť modely molekúl (obr. 45). Najvhodnejším materiálom na to je plastelína. Vyrábajú sa z neho balatómy (na atómy rôznych prvkov sa používa plastelína rôznych farieb). Loptičky sú spojené so zápalkami; každá zhoda nahrádza jednu pomlčku v grafickom vzorci molekuly.
Vytvorte modely molekúl H 2, O 2, H 2 O (má hranatý tvar), NH3 (má pyramídový tvar), CO 2 (má lineárny tvar).
VALENCE(lat. valentia - sila) schopnosť atómu pripojiť alebo nahradiť určitý počet iných atómov alebo skupín atómov.
Po mnoho desaťročí bol pojem valencie jedným zo základných, fundamentálnych pojmov v chémii. S týmto pojmom sa určite stretli všetci študenti chémie. Spočiatku sa im to zdalo celkom jednoduché a jednoznačné: vodík je jednomocný, kyslík je dvojmocný atď. V jednej z príručiek pre žiadateľov sa píše: „Valencia je počet chemických väzieb vytvorených atómom v zlúčenine.“ Ale aká je potom, v súlade s touto definíciou, valencia uhlíka v karbide železa Fe 3 C, v karbonyle železa Fe 2 (CO) 9, v dlhej dobe známe soli K3Fe (CN)6 a K4Fe (CN)6? A dokonca aj v chloride sodnom je každý atóm v kryštáli NaCl viazaný na šesť ďalších atómov! Toľko definícií, dokonca aj vytlačených v učebniciach, treba aplikovať veľmi opatrne.
V moderných publikáciách možno nájsť rôzne, často nejednotné definície. Napríklad toto: "Valencia je schopnosť atómov tvoriť určitý počet kovalentných väzieb." Táto definícia je jasná, jednoznačná, ale je použiteľná len pre zlúčeniny s kovalentnými väzbami. Určte valenciu atómu a celkový počet elektrónov podieľajúcich sa na tvorbe chemickej väzby; a počet elektrónových párov, ktoré daný atóm viazané na iné atómy; a počet jeho nepárových elektrónov podieľajúcich sa na tvorbe spoločných elektrónových párov. Ťažkosti spôsobuje aj ďalšia často sa vyskytujúca definícia valencie ako počet chemických väzieb, ktorými je daný atóm spojený s inými atómami, pretože nie je vždy možné jasne definovať, čo je chemická väzba. V skutočnosti nie vo všetkých zlúčeninách sú chemické väzby tvorené pármi elektrónov. Najjednoduchším príkladom sú iónové kryštály, ako je chlorid sodný; v ňom každý atóm sodíka tvorí väzbu (iónovú) so šiestimi atómami chlóru a naopak. Je potrebné vodíkové väzby považovať za chemické väzby (napríklad v molekulách vody)?
Vzniká otázka, čomu sa môže rovnať valencia atómu dusíka v súlade s jeho rôznymi definíciami. Ak je valencia určená celkovým počtom elektrónov zapojených do tvorby chemických väzieb s inými atómami, potom maximálna valencia atóm dusíka by sa mal považovať za rovný piatim, pretože atóm dusíka môže použiť všetkých svojich päť vonkajších elektrónov na vytvorenie chemických väzieb - dva s-elektróny a tri p-elektróny. Ak je valencia určená počtom elektrónových párov, s ktorými je daný atóm viazaný k iným, potom je v tomto prípade maximálna valencia atómu dusíka štyri. V tomto prípade tri p-elektróny tvoria tri kovalentné väzby s inými atómami a ešte jedna väzba vzniká vďaka dvom 2s-elektrónom dusíka. Príkladom je reakcia amoniaku s kyselinami za vzniku amónneho katiónu, ak je valencia určená iba počtom nespárovaných elektrónov v atóme, potom valencia dusíka nemôže byť väčšia ako tri, pretože atóm N nemôže mať viac ako tri nepárové elektróny (excitácia elektrónu 2s môže nastať len do úrovne s n = 3, čo je energeticky mimoriadne nepriaznivé). Takže v halogenidoch dusík tvorí iba tri kovalentné väzby a neexistujú žiadne zlúčeniny ako NF5, NCI5 alebo NBr5 (na rozdiel od úplne stabilných PF3, PCl3 a PBr3). Ale ak atóm dusíka prenesie jeden zo svojich 2s elektrónov na iný atóm, potom vo výslednom katióne N + zostanú štyri nepárové elektróny a valencia tohto katiónu bude štyri. To sa deje napríklad v molekule kyseliny dusičnej. Rôzne definície valencie teda vedú k rôznym výsledkom aj v prípade jednoduchých molekúl.
Ktorá z týchto definícií je „správna“ a je možné dať jednoznačnú definíciu valencie. Na zodpovedanie týchto otázok je užitočné urobiť exkurziu do minulosti a zvážiť, ako sa pojem „valencia“ zmenil s rozvojom chémie.
Myšlienka valencie prvkov (ktorá však v tom čase nebola uznaná) bola prvýkrát vyjadrená v polovici 19. Anglický chemik E. Frankland: hovoril o určitej „saturačnej kapacite“ kovov a kyslíka. Následne sa valencia začala chápať ako schopnosť atómu pripojiť alebo nahradiť určitý počet iných atómov (alebo skupín atómov) za vzniku chemickej väzby. Jeden z tvorcov teórie chemickej štruktúry Friedrich August Kekule napísal: „Valencia je základná vlastnosť atómu, vlastnosť rovnako konštantná a nemenná ako samotná atómová hmotnosť. Kekule považoval valenciu prvku za konštantnú hodnotu. Koncom 50. rokov 19. storočia väčšina chemikov verila, že valencia (vtedy nazývaná "atomicita") uhlíka bola 4, valencie kyslíka a síry boli 2 a valencie halogénov boli 1. V roku 1868 nemecký chemik K.G." valencia“ (po latinsky valentia – sila). Dlho sa však takmer nepoužíval, aspoň v Rusku (namiesto toho sa hovorilo napríklad o „jednotkách afinity“, „počte ekvivalentov“, „počte akcií“ atď.). Je príznačné, že v Encyklopedický slovník Brockhausa a Efrona(takmer všetky články o chémii v tejto encyklopédii si prezrel, opravil a často napísal D.I. Mendelejev) vôbec neexistuje článok „valencia“. Nie je to ani v klasickom diele Mendelejeva. Základy chémie(len občas spomenie pojem „atomicita“, bez toho, aby sa ním podrobne zaoberal a bez toho, aby mu dal jednoznačnú definíciu).
Pre názorné znázornenie ťažkostí, ktoré sprevádzali pojem „valencia“ od samého začiatku, je vhodné citovať populárne na začiatku 20. storočia. v mnohých krajinách, vďaka veľkému pedagogickému talentu autora, učebnica amerického chemika Alexandra Smitha, ktorú vydal v roku 1917 (v ruskom preklade - v rokoch 1911, 1916 a 1931): „Ani jeden pojem v chémii nedostal taký množstvo nejasných a nepresných definícií ako pojem valencia“. A ďalej v sekcii Niektoré zvláštnosti v názoroch na valenciu autor píše:
„Keď bol prvýkrát skonštruovaný koncept valencie, potom sa celkom mylne verilo, že každý prvok má jednu valenciu. Preto pri uvažovaní takých párov zlúčenín ako sú CuCl a CuCl 2, alebo ... FeCl 2 a FeCl 3 sme vychádzali z predpokladu, že meď vždy je dvojmocné a železo je trojmocné a na tomto základe boli vzorce skreslené tak, aby vyhovovali tomuto predpokladu. Vzorec pre chlorid meďnatý bol teda napísaný (a často aj teraz) takto: Cu 2 Cl 2. V tomto prípade majú vzorce dvoch zlúčenín chloridu meďnatého v grafickom znázornení tvar: Cl–Cu–Cu–Cl a Cl–Cu–Cl. V oboch prípadoch každý atóm medi obsahuje (na papieri) dve jednotky a je teda dvojmocný (na papieri). Podobne... zdvojnásobenie vzorca FeCl 2 dalo Cl 2 >Fe–Fe 2, čo nám umožnilo zvážiť... železité železo.“ A potom Smith urobí veľmi dôležitý a nadčasový záver: „Je to dosť nechutné vedecká metóda- vymýšľať alebo skresľovať fakty na podporu presvedčenia, ktoré síce nie je založené na skúsenostiach, ale je výsledkom púhych dohadov. História vedy však ukazuje, že takéto chyby sú často pozorované.
Prehľad myšlienok začiatku storočia o valencii podal v roku 1912 ruský chemik L.A. Chugaev, ktorý získal svetové uznanie za prácu v chémii. komplexné zlúčeniny. Chugaev jasne ukázal ťažkosti spojené s definíciou a aplikáciou konceptu valencie:
„Valencia je termín používaný v chémii v rovnakom zmysle ako „atomicita“ na označenie maximálneho počtu atómov vodíka (alebo iných monatomických atómov alebo monatomických radikálov), s ktorými môže byť atóm daného prvku v priamom spojení (alebo ktorý môže nahradiť). Slovo valencia sa často používa aj vo význame jednotky valencie, prípadne jednotky afinity. Takže hovoria, že kyslík má dve, dusík tri valencie atď. Slová valencia a „atomicita“ sa predtým používali bez rozdielu, ale keďže samotné pojmy nimi vyjadrené stratili svoju pôvodnú jednoduchosť a stali sa komplikovanejšími, v mnohých prípadoch zostalo v platnosti len slovo valencia ... Komplikácia tzv. pojem valencie sa začal zistením, že valencia je premenlivá veličina ... navyše v zmysle veci je vždy vyjadrená ako celé číslo.
Chemici vedeli, že mnohé kovy majú premenlivú mocnosť a mali sa rozprávať napríklad o dvojmocnom, trojmocnom a šesťmocnom chróme. Čugajev povedal, že aj v prípade uhlíka je potrebné pripustiť možnosť, že jeho valencia môže byť iná ako 4 a CO nie je jedinou výnimkou: „Divalentný uhlík sa veľmi pravdepodobne nachádza v karbylamínoch CH 3 -N = C, v kyseline fulmínovej a jej soliach C=NOH, C=NOMe atď. Vieme, že existuje aj trojatómový uhlík...“ expand klasický koncept o valencii a rozšíriť ju na prípady, na ktoré sa ako taká nevzťahuje. Ak Thiele dospel k potrebe ... umožniť „fragmentáciu“ jednotiek valencie, potom existuje množstvo skutočností, pre ktoré je potrebné odvodiť pojem valencie v inom zmysle z úzkeho rámca, do ktorého bol pôvodne uzavretý. . Videli sme, že štúdium najjednoduchších (väčšinou binárnych ...) zlúčenín tvorených chemickými prvkami, pre každý z nich, nás núti predpokladať určité, vždy malé a samozrejme celočíselné hodnoty ich valencie. Takýchto hodnôt je vo všeobecnosti veľmi málo (prvky vykazujúce viac ako tri rôzne valencie sú zriedkavé) ... Skúsenosti však ukazujú, že keď by sa všetky vyššie uvedené jednotky valencie mali považovať za nasýtené, schopnosť molekúl vytvorených v tomto prípad na ďalšie pripojenie vôbec nedosahuje limit. Kovové soli teda pridávajú vodu, čpavok, amíny..., čím vytvárajú rôzne hydráty, amoniaky... atď. komplexné zlúčeniny, ktoré ... dnes zaraďujeme medzi komplexné. Existencia takýchto zlúčenín, ktoré nezapadajú do rámca najjednoduchšieho pojmu valencie, si prirodzene vyžiadala jeho rozšírenie a zavedenie ďalších hypotéz. Jednou z týchto hypotéz, ktorú navrhol A. Werner, je, že popri hlavných alebo základných valenčných jednotkách existujú aj ďalšie, vedľajšie. Tie sú zvyčajne označené bodkovanou čiarou.
Aká mocnosť by sa napríklad mala pripísať atómu kobaltu v jeho chloride, ktorý pridal šesť molekúl amoniaku za vzniku zlúčeniny CoCl3 6NH3 (alebo, čo je to isté, Co (NH 3) 6 Cl 3) ? V ňom je atóm kobaltu spojený súčasne s deviatimi atómami chlóru a dusíka! D.I. Mendelejev pri tejto príležitosti napísal o málo prebádaných „silách zvyškovej afinity“. A švajčiarsky chemik A. Werner, ktorý vytvoril teóriu komplexných zlúčenín, zaviedol pojmy hlavná (primárna) valencia a vedľajšia (sekundárna) valencia (v modernej chémii tieto pojmy zodpovedajú oxidačnému stavu a koordinačnému číslu). Obe valencie môžu byť variabilné a v niektorých prípadoch je veľmi ťažké alebo dokonca nemožné ich rozlíšiť.
Ďalej sa Chugaev dotýka teórie elektrovalencie R. Abegga, ktorá môže byť pozitívna (v zlúčeninách s vyšším kyslíkom) alebo negatívna (v zlúčeninách s vodíkom). V tomto prípade je súčet vyšších mocností prvkov v kyslíku a vodíku pre skupiny IV až VII 8. Prezentácia v mnohých učebniciach chémie je stále založená na tejto teórii. Na záver Chugaev spomína chemické zlúčeniny, pre ktoré je pojem valencie prakticky nepoužiteľný – intermetalické zlúčeniny, ktorých zloženie „je často vyjadrené vo veľmi zvláštnych vzorcoch, len veľmi málo pripomínajúcich obvyklé hodnoty valencie. Sú to napríklad tieto zlúčeniny: NaCd5, NaZn12, FeZn7 a ďalšie.
Na niektoré ťažkosti pri určovaní valencie poukázal ďalší slávny ruský chemik I.A. Kablukov vo svojej učebnici Základné princípy anorganickej chémie, vydané v roku 1929. Čo sa týka koordinačného čísla, citujme (v ruskom preklade) učebnicu vydanú v Berlíne v roku 1933 od jedného zo zakladateľov modernej teórie riešení, dánskeho chemika Nilsa Bjerruma:
"Zvyčajné valenčné čísla nedávajú žiadnu predstavu o charakteristických vlastnostiach, ktoré vykazujú mnohé atómy v mnohých komplexných zlúčeninách. Na vysvetlenie schopnosti atómov alebo iónov vytvárať komplexné zlúčeniny bol pre atómy a ióny zavedený nový špeciálny rad čísel, odlišný od bežných valenčných čísel. V komplexných iónoch striebra ... z väčšej časti priamo spojené s centrálnym atómom kovu dva atóm alebo dve skupiny atómov, napríklad Ag (NH 3) 2 +, Ag (CN) 2 -, Ag (S 2 O 3) 2 - ... Na popísanie tohto spojenia bol zavedený pojem koordinačné číslo a priraďte iónom Ag + koordinačné číslo 2. Ako je zrejmé z uvedených príkladov, skupiny spojené s centrálny atóm, môžu byť neutrálne molekuly (NH 3) a ióny (CN -, S 2 O 3 -). Dvojmocný ión medi Cu ++ a trojmocný ión zlata Au +++ majú vo väčšine prípadov koordinačné číslo 4. Koordinačné číslo atómu, samozrejme, ešte neudáva, aký druh väzby existuje medzi centrálnym atómom a iné atómy alebo skupiny atómov s ním spojené; ale ukázalo sa, že je to vynikajúci nástroj pre systematiku komplexných zlúčenín.
A. Smith uvádza veľmi názorné príklady „špeciálnych vlastností“ komplexných zlúčenín vo svojej učebnici:
„Zvážte nasledujúce „molekulárne“ zlúčeniny platiny: PtCl 4 2NH 3, PtCl 4 4NH 3, PtCl 4 6NH 3 a PtCl 4 2KCl. Bližšie štúdium týchto zlúčenín odhaľuje množstvo pozoruhodných vlastností. Prvá zlúčenina v roztoku sa prakticky nerozkladá na ióny; elektrická vodivosť jeho roztokov je extrémne nízka; dusičnan strieborný nezráža s ním AgCl. Werner predpokladal, že atómy chlóru sú viazané na atóm platiny bežnými valenciami; Werner ich nazval hlavnými a molekuly amoniaku sú spojené s atómom platiny ďalšími, bočnými valenciami. Táto zlúčenina má podľa Wernera nasledujúcu štruktúru:
Veľké zátvorky označujú integritu skupiny atómov, komplexu, ktorý sa nerozkladá, keď je zlúčenina rozpustená.
Druhá zlúčenina má odlišné vlastnosti ako prvá; ide o elektrolyt, elektrická vodivosť jeho roztokov je rovnakého rádu ako elektrická vodivosť roztokov solí, ktoré sa rozkladajú na tri ióny (K 2 SO 4, BaCl 2, MgCl 2); dusičnan strieborný vyzráža dva zo štyroch atómov. Podľa Wernera má táto zlúčenina nasledujúcu štruktúru: 2– + 2Cl –. Tu máme komplexný ión, atómy chlóru v ňom nie sú vyzrážané dusičnanom strieborným a tento komplex tvorí okolo jadra - atóm Pt - vnútornú sféru atómov v zlúčenine sa atómy chlóru odštiepia vo forme iónov z vonkajšej gule atómov, preto ich píšeme mimo veľkých zátvoriek. Ak predpokladáme, že Pt má štyri hlavné valencie, potom sa v tomto komplexe používajú iba dve, zatiaľ čo ďalšie dve obsahujú dva vonkajšie atómy chlóru. V prvej zlúčenine sú všetky štyri valencie platiny použité v samotnom komplexe, v dôsledku čoho táto zlúčenina nie je elektrolytom.
V tretej zlúčenine sú všetky štyri atómy chlóru vyzrážané dusičnanom strieborným; vysoká elektrická vodivosť tejto soli ukazuje, že dáva päť iónov; je zrejmé, že jeho štruktúra je nasledovná: 4– + 4Cl – ... V komplexnom ióne sú všetky molekuly amoniaku spojené s Pt bočnými valenciami; čo zodpovedá štyrom hlavným valenciám platiny, vo vonkajšej sfére sú štyri atómy chlóru.
V štvrtej zlúčenine dusičnan strieborný vôbec nezráža chlór, elektrická vodivosť jeho roztokov naznačuje rozklad na tri ióny a výmenné reakcie odhaľujú draselné ióny. Tejto zlúčenine pripisujeme nasledujúcu štruktúru: 2– + 2K + . V komplexnom ióne sa používajú štyri hlavné valencie Pt, ale keďže nie sú použité hlavné valencie dvoch atómov chlóru, vo vonkajšej sfére môžu zostať dva kladné jednomocné ióny (2K +, 2NH4 + atď.). .
Uvedené príklady nápadného rozdielu vo vlastnostiach navonok podobných komplexov platiny poskytujú predstavu o ťažkostiach, s ktorými sa chemici stretli pri pokuse o jednoznačné určenie valencie.
Po vytvorení elektronických predstáv o štruktúre atómov a molekúl sa pojem „elektrovalencia“ začal široko používať. Pretože atómy môžu darovať aj prijímať elektróny, elektrovalencia môže byť pozitívna alebo negatívna (teraz sa namiesto elektrovalencie používa pojem oxidačného stavu). Aké nové elektronické podania o valencii dohodnute s predchadzajucimi? N. Bjerrum v už citovanej učebnici o tom píše: „Medzi zvyčajnými valenčnými číslami a zavedenými novými číslami - elektrovalenciou a koordinačným číslom je určitá závislosť, ale v žiadnom prípade nie sú totožné. Starý pojem valencie sa rozdelil na dva nové pojmy. Pri tejto príležitosti Bjerrum urobil dôležitú poznámku: „Koordinačné číslo uhlíka je vo väčšine prípadov 4 a jeho elektrovalencia je buď +4 alebo -4. Keďže obe čísla sa pre atóm uhlíka zvyčajne zhodujú, zlúčeniny uhlíka nie sú vhodné na štúdium rozdielu medzi týmito dvoma pojmami.
V rámci elektrónovej teórie chemickej väzby, vyvinutej v prácach amerického fyzikálneho chemika G. Lewisa a nemeckého fyzika W. Kossela, sa objavili pojmy ako donor-akceptorová (koordinačná) väzba a kovalencia. V súlade s touto teóriou bola valencia atómu určená počtom jeho elektrónov podieľajúcich sa na tvorbe spoločných elektrónových párov s inými atómami. V tomto prípade bola maximálna valencia prvku považovaná za rovnajúcu sa počtu elektrónov vo vonkajšom elektrónovom obale atómu (zhoduje sa s číslom skupiny periodickej tabuľky, do ktorej daný prvok patrí). Podľa iných konceptov založených na kvantových chemických zákonoch (vyvinuli ich nemeckí fyzici W. Heitler a F. London) by sa nemali počítať všetky vonkajšie elektróny, ale iba nepárové (v základnom alebo excitovanom stave atómu); táto definícia je uvedená v mnohých chemických encyklopédiách.
Sú však známe fakty, ktoré do toho nezapadajú jednoduchý obvod. Takže v mnohých zlúčeninách (napríklad v ozóne) môže pár elektrónov držať nie dve, ale tri jadrá; v iných molekulách môže byť chemická väzba uskutočnená jediným elektrónom. Nie je možné opísať takéto spojenia bez použitia aparátu kvantovej chémie. Ako napríklad určiť valenciu atómov v takých zlúčeninách, ako je pentaborán B 5 H 9 a iné bórany s "mostovými" väzbami, v ktorých je atóm vodíka viazaný na dva atómy bóru naraz; ferocén Fe (C 5 H 5) 2 (atóm železa s oxidačným stavom +2 je bezprostredne spojený s 10 atómami uhlíka); pentakarbonyl železa Fe(CO)5 (atóm železa v nulovom oxidačnom stave je naviazaný na päť atómov uhlíka); pentakarbonylchromát sodný Na 2 Cr (CO) 5 (oxidačný stav chrómu-2)? Takéto „neklasické“ prípady nie sú ničím výnimočným. Podobných „prerušovačov valencie“, zlúčenín s rôznymi „exotickými valenciami“, ako sa vyvíjala chémia, bolo čoraz viac.
Na obídenie niektorých ťažkostí bola uvedená definícia, podľa ktorej je pri určovaní valencie atómu potrebné vziať do úvahy celkový počet nespárovaných elektrónov, osamelých elektrónových párov a prázdnych orbitálov, ktoré sa podieľajú na tvorbe chemických väzieb. Prázdne orbitály sa priamo podieľajú na tvorbe väzieb donor-akceptor v rôznych komplexných zlúčeninách.
Jedným zo záverov je, že vývoj teórie a získavanie nových experimentálnych údajov viedli k tomu, že pokusy dosiahnuť jasné pochopenie podstaty valencie rozdelili tento koncept na množstvo nových myšlienok, ako je hlavná a vedľajšia valencia. , iónová valencia a kovalencia, koordinačné číslo a stupeň oxidácie atď. To znamená, že pojem „valencia“ sa „rozdelil“ na množstvo nezávislých pojmov, z ktorých každý pôsobí v určitej oblasti. Tradičný pojem valencie má zrejme jasný a jednoznačný význam len pre zlúčeniny, v ktorých sú všetky chemické väzby dvojcentrové (t. j. spájajú len dva atómy) a každá väzba je realizovaná párom elektrónov umiestnených medzi dvoma susednými atómami, inými slovami, pre kovalentné zlúčeniny, ako je HCl, C02, C5H12 atď.
Druhý záver nie je celkom obvyklý: pojem „valencia“, hoci sa používa v modernej chémii, má veľmi obmedzené použitie, pokusy dať mu jednoznačnú definíciu „pre všetky príležitosti“ nie sú veľmi produktívne a takmer ani potrebné. Nie nadarmo sa autori mnohých učebníc, najmä tých, ktoré vychádzajú v zahraničí, bez tohto pojmu vôbec zaobídu alebo sa obmedzia na poukázanie na to, že pojem „valencia“ má najmä historický význam, zatiaľ čo v súčasnosti chemici používajú najmä bežnejšie, napr. aj keď trochu umelý, koncept „stupňovej oxidácie“.
Iľja Leenson
