Bestem valensen av kjemiske elementer

Nivået på kunnskap om strukturen av atomer og molekyler i XIX-tallet tillot oss ikke å forklare årsaken til atomer danner et visst antall bindinger med andre partikler. Men ideene til forskere har overgått sin tid, og valensen blir fortsatt studert som en av de grunnleggende prinsippene for kjemi.

Fra historien til begrepet "valensen av kjemiske elementer"

Den fremtredende engelske kjemikeren fra 1800-tallet, Edward Frankland, introduserte begrepet "forbindelse" til vitenskapelig bruk for å beskrive samspillet mellom atomer med hverandre. Forskeren la merke til at noen kjemiske elementer danner forbindelser med samme antall andre atomer. For eksempel tilsetter nitrogen tre hydrogenatomer til ammoniakkmolekylet.

I mai 1852 antydet Frankland at det er et bestemt antall kjemiske bindinger som et atom kan danne med andre små partikler av materie. Frankland brukte uttrykket "bindekraft" for å beskrive hva som senere skulle kalles valens. Den britiske kjemikeren etablerte hvor mange kjemiske bindinger som danner atomer av individuelle elementer kjent i midten av XIX århundre. Frankrikes arbeid har blitt et viktig bidrag til moderne strukturell kjemi.

Utvikling av synspunkter

Tysk kjemiker F.A. Kekule viste i 1857 at karbon er en firebase. I sin enkleste forbindelse - metan - er det forbindelser med 4 hydrogenatomer. Begrepet "grunnleggende" vitenskapsmannen brukte å identifisere egenskapene til elementene for å feste et strengt definert antall andre partikler. I Russland ble data om materiellets struktur systematisk av AM Butlerov (1861). Videreutvikling av teorien om kjemisk binding skyldtes teorien om periodiske endringer i egenskapene til elementene. Forfatteren er en annen fremragende russisk kjemiker, DI Mendeleev. Han viste at valensen av kjemiske elementer i forbindelser og andre egenskaper skyldes stillingen de opptar i det periodiske systemet.

Grafisk fremstilling av valens og kjemisk binding

Muligheten for visualisering av molekyler er en av de utvilsomme verdiene til valensteori. De første modellene dukket opp på 1860-tallet, og siden 1864 har strukturelle formler blitt brukt , som representerer sirkler med et kjemisk tegn inni. Mellom symbolene på atomer betyr et bindestrek et kjemisk bind, og tallet på disse linjene er lik verdien av valensen. I de samme årene ble de første ball-and-rod modellene produsert (se bildet til venstre). I 1866 foreslo Kekule en stereokjemisk tegning av et karbonatom i form av en tetraeder, som han inkluderte i sin lærebok "Organic Chemistry."

Valensen av kjemiske elementer og fremveksten av forbindelser ble studert av G. Lewis, som publiserte sine verk i 1923 etter oppdagelsen av elektronen. De såkalte negativt ladede små partiklene, som er en del av skallene av atomer, kalles. I sin bok brukte Lewis poeng rundt de fire sidene av symbolet på et kjemisk element for å representere valenselektroner.

Valens for hydrogen og oksygen

Før etableringen av det periodiske systemet ble valensen av de kjemiske elementene i forbindelsene tatt for å sammenlignes med de atomer som den er kjent for. Som standard ble hydrogen og oksygen valgt. Et annet kjemisk element tiltrukket eller erstattet et visst antall H- og O-atomer.

På denne måten ble egenskaper bestemt i forbindelser med monovalent hydrogen (valensen av det andre elementet er betegnet av det romerske tallet):

• HCl - klor (I):
• H20 - oksygen (II);
• NH3-nitrogen (III);
• CH ₄ - karbon (IV).

I oksidene ble K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3, oksygenvalensen av metaller og ikke-metaller bestemt, dobling av antall tilsatte O-atomer. Følgende verdier ble oppnådd: K (I), C (II), N (III) , Si (IV), S (VI).

Hvordan bestemme valensen av kjemiske elementer

Det er regelmessigheter i dannelsen av et kjemisk bånd som involverer felles elektroniske par:

• Den typiske hydrogenvalensen er I.
• Den vanlige oksygenvalensen er II.
• For ikke-metalliske elementer kan den nedre valensen bestemmes av formelen 8 - nummeret til gruppen der de er i periodisk tabell. Jo høyere, hvis det er mulig, bestemmes av gruppens nummer.
• For elementene i undergruppene er den maksimale valensen den samme som deres gruppe i periodisk tabell.

Bestemmelse av valensen av kjemiske elementer ved formelen av forbindelsen utføres under anvendelse av følgende algoritme:

1. Skriv ned over det kjemiske tegnet en kjent verdi for en av elementene. For eksempel, i Mn ₂ O _{7 er} oksygenvalensen II.
2. Beregn totalverdien, som det er nødvendig å multiplisere valensen med antall atomer av samme kjemiske element i molekylet: 2 * 7 = 14.
3. Bestem valensen til det andre elementet som det er ukjent for. Del verdien som er oppnådd i underpunkt 2 ved antall Mn-atomer i molekylet.
4. 14: 2 = 7. Valansen av mangan i sitt høyere oksid er VII.

Konstant og variabel valens

Verdiene for hydrogen og oksygen er forskjellige. For eksempel er svovel i forbindelsen H2S divalent, og i formelen SO3-heksavalent. Karbonformer med oksygen CO monoksid og CO ₂ dioksyd. I den første forbindelsen er valensen av C II, og i den andre IV. Den samme verdien i metan CH ₄ .

De fleste elementer viser ikke en konstant, men variabel valens, for eksempel fosfor, nitrogen, svovel. Søket etter hovedårsakene til dette fenomenet førte til fremveksten av teorier om kjemisk binding, ideer om valensskallet av elektroner, molekylære orbitaler. Eksistensen av forskjellige verdier av samme egenskap er blitt forklart i form av atomer og molekylers struktur.

Moderne konsepter av valens

Alle atomer består av en positiv kjerne som er omgitt av negativt ladede elektroner. Ytre skallet, som de danner, er uferdig. Den ferdige strukturen er den mest stabile, den inneholder 8 elektroner (oktett). Utseendet til en kjemisk binding på grunn av vanlige elektronpar fører til en energisk gunstig tilstand av atomene.

Regelen for dannelse av forbindelser er ferdigstillelsen av skallet ved å ta elektroner eller gi ut uparbeide, avhengig av hvilken prosess som passerer lettere. Hvis et atom gir negative partikler for dannelsen av en kjemisk binding, som ikke har et par, danner det så mange bindinger som det er uparerte elektroner. Ifølge moderne begreper er valensen av atomer av kjemiske elementer evnen til å danne et visst antall kovalente bindinger. For eksempel, i et hydrogensulfid H2S-molekyl, kjøper svovel valensen II (-), siden hvert atom deltar i dannelsen av to elektronpar. Tegnet "-" indikerer elektronparets tiltrekning til det mer elektronegative elementet. På mindre electronegative for valensverdien, legg til "+".

Med donor-akseptormekanismen, deltar elektroniske par av ett element og fri valensorbitaler av den andre i prosessen.

Avhengighet av valensen på atomets struktur

Tenk for eksempel karbon og oksygen, hvordan valensen av kjemiske elementer avhenger av stoffets struktur. Mendeleyevs bord gir en ide om hovedkarakteristikkene til et karbonatom:

• Kjemisk tegn - C;
• Element nummer er 6;
• Kildenes ladning er +6;
• Protoner i kjernen - 6;
• Elektroner - 6, inkludert 4 eksterne, hvorav 2 danner et par, 2 - uparrede.

Hvis et karbonatom i CO-monoksid danner to bindinger, inntar bare 6 negative partikler sin bruk. For å skaffe en oktett, er det nødvendig at parene danner 4 eksterne negative partikler. Karbon har en valens av IV (+) i dioksyd og IV (-) i metan.

Ordinært antall oksygen er 8, valensskallet består av seks elektroner, hvorav 2 ikke danner et par og deltar i kjemisk binding og samspill med andre atomer. Den typiske oksygenvalensen er II (-).

Valens og oksidasjonstilstand

I mange tilfeller er det mer hensiktsmessig å bruke termen "oksidasjonstilstand". Dette er navnet på atomets ladning, som det ville skaffe seg hvis alle bindingselektronene ble overført til et element som har en høyere verdi av elektronegativitet (EO). Oxiderende tall i det enkle stoffet er null. Til graden av oksidasjon er mer enn EO av elementet lagt til tegnet "-", mindre elektronegativ - "+". For eksempel for metaller i hovedundergruppene, er oksidasjonsgrader og ionladninger ekvivalent med tallet til gruppen med tegnet "+". I de fleste tilfeller er valensen og graden av oksidasjon av atomer i samme forbindelse numerisk det samme. Først når man interagerer med flere elektronegative atomer, er graden av oksidasjon positiv, med elementer som EO er lavere for, er negativ. Begrepet "valens" blir ofte bare brukt på stoffer med molekylær struktur.