Niveauet af viden om strukturen af atomer og molekyler i det 19. århundrede tillod ikke at forklare årsagen til, at atomer danner et vist antal bindinger med andre partikler. Men videnskabsmænds ideer var forud for deres tid, og valens studeres stadig som et af grundprincipperne i kemi.
Fra historien om begrebet "kemiske elementers valens"
Den fremragende engelske kemiker fra det 19. århundrede, Edward Frankland, introducerede udtrykket "binding" i videnskabelig brug for at beskrive processen med atomers interaktion med hinanden. Forskeren bemærkede, at nogle kemiske grundstoffer danner forbindelser med det samme antal andre atomer. For eksempel binder nitrogen tre hydrogenatomer i ammoniakmolekylet.
I maj 1852 antog Frankland, at der var et specifikt antal kemiske bindinger, som et atom kunne danne med andre små partikler af stof. Frankland brugte udtrykket "forbindelseskraft" til at beskrive, hvad der senere ville blive kaldt valens. Den britiske kemiker bestemte hvor megetkemiske bindinger danner atomer af individuelle grundstoffer kendt i midten af det 19. århundrede. Franklands arbejde var et vigtigt bidrag til moderne strukturkemi.
Udvikling af holdninger
Tysk kemiker F. A. Kekule beviste i 1857, at kulstof er tetrabasisk. I sin enkleste forbindelse - metan - er der bindinger med 4 brintatomer. Videnskabsmanden brugte udtrykket "basicitet" til at betegne grundstoffernes egenskab til at vedhæfte et strengt defineret antal andre partikler. I Rusland blev data om stofstrukturen systematiseret af A. M. Butlerov (1861). Teorien om kemisk binding modtog yderligere udvikling takket være doktrinen om den periodiske ændring i grundstoffernes egenskaber. Dens forfatter er en anden fremragende russisk kemiker, D. I. Mendeleev. Han beviste, at valensen af kemiske grundstoffer i forbindelser og andre egenskaber skyldes den position, de indtager i det periodiske system.
Grafisk repræsentation af valens og kemisk binding
Muligheden for en visuel repræsentation af molekyler er en af de utvivlsomme fordele ved valensteorien. De første modeller dukkede op i 1860'erne, og siden 1864 har man brugt strukturformler, som er cirkler med et kemisk tegn indeni. Mellem symbolerne for atomer angiver en streg en kemisk binding, og antallet af disse linjer er lig med værdien af valensen. I samme år blev de første bold-og-stok-modeller lavet (se foto til venstre). I 1866 foreslog Kekule en stereokemisk tegning af atomet.kulstof i form af et tetraeder, som han inkluderede i sin lærebog Organic Chemistry.
Kemiske grundstoffers valens og fremkomsten af bindinger blev undersøgt af G. Lewis, som udgav sine værker i 1923 efter opdagelsen af elektronen. Dette er navnet på de mindste negativt ladede partikler, der er en del af atomernes skaller. I sin bog brugte Lewis prikkerne omkring de fire sider af det kemiske grundstofsymbol til at repræsentere valenselektroner.
Valens for brint og oxygen
Før oprettelsen af det periodiske system blev valensen af kemiske grundstoffer i forbindelser norm alt sammenlignet med de atomer, som den er kendt for. Brint og oxygen blev valgt som standarder. Et andet kemisk grundstof tiltrak eller erstattede et vist antal H- og O-atomer.
På denne måde blev egenskaber bestemt i forbindelser med monovalent hydrogen (valensen af det andet grundstof er angivet med et romertal):
- HCl - klor (I):
- H2O - oxygen (II);
- NH3 - nitrogen (III);
- CH4 - kulstof (IV).
In oxider K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 bestemte iltvalensen af metaller og ikke-metaller ved at fordoble antallet af tilføjede O-atomer. Følgende værdier blev opnået: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Sådan bestemmer man værdien af kemiske elementer
Der er regelmæssigheder i dannelsen af en kemisk binding, der involverer almindelig elektroniskpar:
- Typisk brintvalens er I.
- Sædvanlig oxygenvalens - II.
- For ikke-metalelementer kan den laveste valens bestemmes af formlen 8 - nummeret på den gruppe, hvori de er placeret i det periodiske system. Det højeste, hvis det er muligt, bestemmes af gruppenummeret.
- For elementer af sekundære undergrupper er den maksim alt mulige valens den samme som deres gruppenummer i det periodiske system.
Bestemmelse af valensen af kemiske grundstoffer i henhold til formlen for forbindelsen udføres ved hjælp af følgende algoritme:
- Skriv den kendte værdi for et af grundstofferne over det kemiske tegn. For eksempel i Mn2O7 er oxygenvalensen II.
- Beregn den samlede værdi, som du skal gange valensen for med antallet af atomer af det samme kemiske grundstof i molekylet: 27=14.
- Bestem valensen af det andet element, som det er ukendt for. Divider værdien opnået i trin 2 med antallet af Mn-atomer i molekylet.
- 14: 2=7. Valensen af mangan i dets højere oxid er VII.
Konstant og variabel valens
Valensværdier for brint og oxygen er forskellige. For eksempel er svovl i forbindelsen H2S bivalent, og i formlen SO3 er det hexavalent. Kulstof danner monoxid CO og dioxid CO2 med oxygen. I den første forbindelse er valensen af C II, og i den anden, IV. Samme værdi i metan CH4.
De flesteelementer udviser ikke en konstant, men en variabel valens, for eksempel fosfor, nitrogen, svovl. Søgningen efter hovedårsagerne til dette fænomen førte til fremkomsten af teorier om kemiske bindinger, ideer om elektronernes valensskal og molekylære orbitaler. Eksistensen af forskellige værdier af den samme egenskab blev forklaret ud fra et synspunkt om strukturen af atomer og molekyler.
Moderne ideer om valens
Alle atomer består af en positiv kerne omgivet af negativt ladede elektroner. Den ydre skal, som de danner, er ufærdig. Den færdige struktur er den mest stabile og indeholder 8 elektroner (en oktet). Fremkomsten af en kemisk binding på grund af fælles elektronpar fører til en energetisk gunstig tilstand af atomer.
Reglen for dannelsen af forbindelser er færdiggørelsen af skallen ved at acceptere elektroner eller give uparrede elektroner væk - alt efter hvilken proces der er nemmere. Hvis et atom sørger for dannelsen af en kemisk binding negative partikler, der ikke har et par, danner det lige så mange bindinger, som det har uparrede elektroner. Ifølge moderne koncepter er valensen af atomer af kemiske elementer evnen til at danne et vist antal kovalente bindinger. For eksempel, i et hydrogensulfidmolekyle H2S, opnår svovl valens II (–), da hvert atom deltager i dannelsen af to elektronpar. "–" tegnet angiver tiltrækningen af et elektronpar til et mere elektronegativt element. For en mindre elektronegativ tilføjes "+" til valensværdien
Med donor-acceptor-mekanismen deltager elektronpar af et element og frie valensorbitaler af et andet element i processen.
Valensafhængighed af atomets struktur
Lad os se på eksemplet med kulstof og oxygen, hvordan valensen af kemiske elementer afhænger af stoffets struktur. Det periodiske system giver en idé om carbonatomets hovedkarakteristika:
- kemisk tegn - C;
- elementnummer - 6;
- kerneopladning - +6;
- protoner i kernen - 6;
- elektroner - 6, inklusive 4 eksterne, hvoraf 2 danner et par, 2 er uparrede.
Hvis et carbonatom i CO-monoxid danner to bindinger, så kommer kun 6 negative partikler til brug. For at erhverve en oktet er det nødvendigt, at parrene danner 4 eksterne negative partikler. Kulstof har valens IV (+) i dioxid og IV (–) i metan.
Ordin alt antal ilt er 8, valensskallen består af seks elektroner, 2 af dem danner ikke par og deltager i kemisk binding og interaktion med andre atomer. En typisk oxygenvalens er II (–).
Valens og oxidationstilstand
I mange tilfælde er det mere bekvemt at bruge begrebet "oxidationstilstand". Dette er navnet på ladningen af et atom, som det ville erhverve, hvis alle bindingselektronerne blev overført til et grundstof, der har en højere værdi af elektronegativitet (EO). Oxidationstallet i et simpelt stof ernul. "–" tegnet føjes til oxidationstilstanden af det mere EO element, "+" tegnet føjes til det mindre elektronegative. For metaller i hovedundergrupperne er for eksempel oxidationstilstande og ionladninger typiske, lig med gruppenummeret med et "+"-tegn. I de fleste tilfælde er valensen og oxidationstilstanden af atomer i den samme forbindelse numerisk den samme. Kun ved vekselvirkning med flere elektronegative atomer er oxidationstilstanden positiv, med grundstoffer, hvor EO er lavere, er den negativ. Begrebet "valens" anvendes ofte kun på stoffer med en molekylær struktur.
