Atomien ja molekyylien rakenteen tietämyksen taso 1800-luvulla ei sallinut selittää syytä, miksi atomit muodostavat tietyn määrän sidoksia muiden hiukkasten kanssa. Mutta tiedemiesten ideat olivat aikaansa edellä, ja valenssia tutkitaan edelleen yhtenä kemian perusperiaatteista.
Kemiallisten alkuaineiden valenssin käsitteen historiasta
1800-luvun erinomainen englantilainen kemisti Edward Frankland otti termin "sidos" tieteelliseen käyttöön kuvaamaan atomien vuorovaikutusprosessia keskenään. Tiedemies huomasi, että jotkut kemialliset alkuaineet muodostavat yhdisteitä, joissa on sama määrä muita atomeja. Esimerkiksi typpi kiinnittää ammoniakkimolekyyliin kolme vetyatomia.
Toukokuussa 1852 Frankland oletti, että atomi voi muodostaa tietyn määrän kemiallisia sidoksia muiden pienten ainehiukkasten kanssa. Frankland käytti ilmausta "yhdysvoima" kuvaamaan sitä, mitä myöhemmin kutsutaan valenssiksi. Brittikemisti määritti kuinka paljonkemialliset sidokset muodostavat yksittäisten alkuaineiden atomeja, jotka tunnettiin 1800-luvun puolivälissä. Franklandin työ oli tärkeä panos moderniin rakennekemiaan.
Asenteiden kehittäminen
Saksalainen kemisti F. A. Kekule osoitti vuonna 1857, että hiili on neliemäksinen. Sen yksinkertaisimmassa yhdisteessä - metaanissa - on sidoksia, joissa on 4 vetyatomia. Tiedemies käytti termiä "perus" kuvaamaan elementtien ominaisuutta kiinnittää tiukasti määritelty määrä muita hiukkasia. Venäjällä tiedot aineen rakenteesta systematisoi A. M. Butlerov (1861). Kemiallisen sidoksen teoria kehittyi edelleen elementtien ominaisuuksien jaksoittaista muutosta koskevan opin ansiosta. Sen kirjoittaja on toinen erinomainen venäläinen kemisti, D. I. Mendelejev. Hän osoitti, että kemiallisten alkuaineiden valenssi yhdisteissä ja muut ominaisuudet johtuvat niiden asemasta jaksollisessa järjestelmässä.
Valenssin ja kemiallisen sidoksen graafinen esitys
Molekyylien visuaalisen esityksen mahdollisuus on yksi valenssiteorian kiistattomista eduista. Ensimmäiset mallit ilmestyivät 1860-luvulla, ja vuodesta 1864 lähtien on käytetty rakennekaavoja, jotka ovat ympyröitä, joiden sisällä on kemiallinen merkki. Atomien symbolien välissä viiva osoittaa kemiallista sidosta, ja näiden viivojen lukumäärä on yhtä suuri kuin valenssin arvo. Samoihin vuosiin tehtiin ensimmäiset pallo- ja tikkumallit (katso kuva vasemmalla). Vuonna 1866 Kekule ehdotti stereokemiallista piirustusta atomista.hiiltä tetraedrin muodossa, jonka hän sisällytti oppikirjaansa Organic Chemistry.
Kemiallisten alkuaineiden valenssia ja sidosten syntymistä tutki G. Lewis, joka julkaisi teoksensa vuonna 1923 elektronin löytämisen jälkeen. Tämä on pienimpien negatiivisesti varautuneiden hiukkasten nimi, jotka ovat osa atomien kuoria. Kirjassaan Lewis käytti kemiallisen alkuaineen symbolin neljän sivun ympärillä olevia pisteitä edustamaan valenssielektroneja.
Vedyn ja hapen valenssi
Ennen jaksollisen järjestelmän luomista yhdisteiden kemiallisten alkuaineiden valenssia verrattiin yleensä niihin atomeihin, joista se tiedetään. Standardeiksi valittiin vety ja happi. Toinen kemiallinen alkuaine veti puoleensa tai korvasi tietyn määrän H- ja O-atomeja.
Tällä tavalla ominaisuudet määritettiin yhdisteissä, joissa oli yksiarvoista vetyä (toisen alkuaineen valenssi osoitetaan roomalaisella numerolla):
- HCl - kloori (I):
- H2O - happi (II);
- NH3 - typpi (III);
- CH4 - hiili (IV).
Oksideissa K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 määritti metallien ja ei-metallien happivalenssin kaksinkertaistamalla lisättyjen O-atomien lukumäärän. Saatiin seuraavat arvot: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kuinka määrittää kemiallisten alkuaineiden valenssi
Kemiallisen sidoksen muodostumisessa on säännönmukaisuuksia, joihin liittyy yhteinen elektroniikkaparit:
- Tyypillinen vedyn valenssi on I.
- Tavallinen happivalenssi - II.
- Ei-metallisten elementtien pienin valenssi voidaan määrittää kaavalla 8 - sen ryhmän numero, jossa ne sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä. Korkein, mikäli mahdollista, määräytyy ryhmän numeron mukaan.
- Toissijaisten alaryhmien elementtien suurin mahdollinen valenssi on sama kuin niiden ryhmänumero jaksollisessa taulukossa.
Kemiallisten alkuaineiden valenssin määritys yhdisteen kaavan mukaan suoritetaan käyttämällä seuraavaa algoritmia:
- Kirjoita kemiallisen merkin yläpuolelle yhden alkuaineen tunnettu arvo. Esimerkiksi lausekkeessa Mn2O7 happivalenssi on II.
- Laske kokonaisarvo, jonka valenssi täytyy kertoa saman kemiallisen alkuaineen atomien lukumäärällä molekyylissä: 27=14.
- Määritä toisen elementin valenssi, jolle se on tuntematon. Jaa vaiheessa 2 saatu arvo Mn-atomien määrällä molekyylissä.
- 14: 2=7. Mangaanin valenssi sen korkeammassa oksidissa on VII.
Vakio ja muuttuva valenssi
Vedyn ja hapen valenssiarvot ovat erilaisia. Esimerkiksi rikki yhdisteessä H2S on bivalenttinen, ja kaavassa SO3 se on kuusiarvoinen. Hiili muodostaa hapen kanssa monooksidia CO ja dioksidia CO2. Ensimmäisessä yhdisteessä C:n valenssi on II ja toisessa IV. Sama arvo metaanissa CH4.
Useimmatalkuaineilla ei ole vakio, vaan muuttuva valenssi, esimerkiksi fosfori, typpi, rikki. Tämän ilmiön pääsyiden etsiminen johti kemiallisten sidosteorioiden syntymiseen, käsityksiin elektronien valenssikuoresta ja molekyyliradoista. Saman ominaisuuden eri arvojen olemassaolo selitettiin atomien ja molekyylien rakenteen näkökulmasta.
Nykyaikaisia ideoita valenssista
Kaikki atomit koostuvat positiivisesta ytimestä, jota ympäröivät negatiivisesti varautuneet elektronit. Niiden muodostama ulkokuori on keskeneräinen. Valmis rakenne on stabiilin ja sisältää 8 elektronia (oktetti). Kemiallisen sidoksen syntyminen yhteisten elektroniparien vuoksi johtaa atomien energeettisesti suotuisaan tilaan.
Yhdisteiden muodostumisen sääntö on, että kuori saatetaan valmiiksi vastaanottamalla elektroneja tai luovuttamalla parittomia - riippuen siitä kumpi prosessi on helpompi. Jos atomi mahdollistaa kemiallisen sidoksen muodostumisen negatiivisia hiukkasia, joilla ei ole paria, niin se muodostaa yhtä monta sidosta kuin sillä on parittomia elektroneja. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan kemiallisten alkuaineiden atomien valenssi on kyky muodostaa tietty määrä kovalenttisia sidoksia. Esimerkiksi rikkivetymolekyylissä H2S rikki saa valenssin II (–), koska jokainen atomi osallistuu kahden elektroniparin muodostumiseen. “–”-merkki osoittaa elektroniparin vetovoiman elektronegatiivisempaan elementtiin. Vähemmän elektronegatiivisen valenssiarvoon lisätään "+".
Donori-akseptorimekanismin avulla yhden alkuaineen elektroniparit ja toisen elementin vapaat valenssiorbitaalit osallistuvat prosessiin.
Valenssin riippuvuus atomin rakenteesta
Katsotaanpa esimerkkiä hiilestä ja hapesta, kuinka kemiallisten alkuaineiden valenssi riippuu aineen rakenteesta. Jaksotaulukko antaa käsityksen hiiliatomin pääominaisuuksista:
- kemiallinen merkki - C;
- elementin numero - 6;
- ydinveloitus - +6;
- protoneja ytimessä - 6;
- elektroneja - 6, mukaan lukien 4 ulkoista, joista 2 muodostaa parin, 2 on parittomia.
Jos hiiliatomi hiilimonoksidissa muodostaa kaksi sidosta, sen käyttöön tulee vain 6 negatiivista hiukkasta. Oktetin hankkimiseksi on välttämätöntä, että parit muodostavat 4 ulkoista negatiivista hiukkasta. Hiilellä on valenssi IV (+) dioksidissa ja IV (–) metaanissa.
Hapen järjestysluku on 8, valenssikuori koostuu kuudesta elektronista, joista 2 ei muodosta pareja ja osallistuu kemialliseen sitoutumiseen ja vuorovaikutukseen muiden atomien kanssa. Tyypillinen happivalenssi on II (–).
Valenssi ja hapetustila
Monissa tapauksissa on kätevämpää käyttää "hapetustilan" käsitettä. Tämä on nimi, joka annetaan atomin varaukselle, jonka se hankkisi, jos kaikki sitoutuvat elektronit siirrettäisiin elementtiin, jolla on korkeampi elektronegatiivisuuden (EO) arvo. Yksinkertaisen aineen hapetusluku onnolla. Enemmän EO-elementin hapetusasteeseen lisätään merkki “–” ja vähemmän elektronegatiiviseen. Esimerkiksi pääalaryhmien metalleille hapetustilat ja ionivaraukset ovat tyypillisiä, samat kuin ryhmänumero +-merkillä. Useimmissa tapauksissa saman yhdisteen atomien valenssi ja hapetusaste ovat numeerisesti samat. Vain vuorovaikutuksessa elektronegatiivisempien atomien kanssa hapetustila on positiivinen, ja elementeillä, joissa EO on pienempi, se on negatiivinen. "Valenssin" käsitettä sovelletaan usein vain aineisiin, joilla on molekyylirakenne.
