Het niveau van kennis over de structuur van atomen en moleculen in de 19e eeuw liet niet toe de reden te verklaren waarom atomen een bepaald aantal bindingen met andere deeltjes vormen. Maar de ideeën van wetenschappers waren hun tijd ver vooruit en valentie wordt nog steeds bestudeerd als een van de basisprincipes van de chemie.
Uit de geschiedenis van het concept van "valentie van chemische elementen"
De uitstekende Engelse chemicus van de 19e eeuw Edward Frankland introduceerde de term 'binding' in wetenschappelijk gebruik om het proces van interactie van atomen met elkaar te beschrijven. De wetenschapper merkte op dat sommige chemische elementen verbindingen vormen met hetzelfde aantal andere atomen. Stikstof hecht bijvoorbeeld drie waterstofatomen aan het ammoniakmolecuul.
In mei 1852 veronderstelde Frankland dat er een specifiek aantal chemische bindingen was die een atoom kon vormen met andere kleine deeltjes materie. Frankland gebruikte de uitdrukking "verbindende kracht" om te beschrijven wat later valentie zou worden genoemd. De Britse chemicus bepaalde hoeveelchemische bindingen vormen atomen van individuele elementen die in het midden van de 19e eeuw bekend waren. Het werk van Frankland was een belangrijke bijdrage aan de moderne structurele chemie.
Attitudes ontwikkelen
Duitse chemicus F. A. Kekule bewees in 1857 dat koolstof een tetrabasisch is. In zijn eenvoudigste verbinding - methaan - zijn er bindingen met 4 waterstofatomen. De wetenschapper gebruikte de term "basiciteit" om de eigenschap van elementen aan te duiden om een strikt gedefinieerd aantal andere deeltjes te hechten. In Rusland werden gegevens over de structuur van materie gesystematiseerd door A. M. Butlerov (1861). De theorie van chemische binding kreeg verdere ontwikkeling dankzij de doctrine van de periodieke verandering in de eigenschappen van elementen. De auteur is een andere uitstekende Russische chemicus, D. I. Mendelejev. Hij bewees dat de valentie van chemische elementen in verbindingen en andere eigenschappen te wijten is aan de positie die ze innemen in het periodiek systeem.
Grafische weergave van valentie en chemische binding
De mogelijkheid van een visuele weergave van moleculen is een van de onbetwiste voordelen van de valentietheorie. De eerste modellen verschenen in de jaren 1860 en sinds 1864 worden er structuurformules gebruikt, dit zijn cirkels met een chemisch teken erin. Tussen de symbolen van atomen geeft een streepje een chemische binding aan, en het aantal van deze lijnen is gelijk aan de waarde van de valentie. In diezelfde jaren werden de eerste ball-and-stick modellen gemaakt (zie foto links). In 1866 stelde Kekule een stereochemische tekening van het atoom voor.koolstof in de vorm van een tetraëder, die hij opnam in zijn leerboek Organic Chemistry.
De valentie van chemische elementen en het ontstaan van bindingen werd bestudeerd door G. Lewis, die zijn werken in 1923 publiceerde na de ontdekking van het elektron. Dit is de naam van de kleinste negatief geladen deeltjes die deel uitmaken van de schillen van atomen. In zijn boek gebruikte Lewis de stippen rond de vier zijden van het symbool van het scheikundige element om valentie-elektronen weer te geven.
Valentie voor waterstof en zuurstof
Vóór de oprichting van het periodiek systeem, werd de valentie van chemische elementen in verbindingen meestal vergeleken met de atomen waarvoor het bekend is. Als standaard werd gekozen voor waterstof en zuurstof. Een ander chemisch element trok een bepaald aantal H- en O-atomen aan of verving ze.
Op deze manier werden eigenschappen bepaald in verbindingen met eenwaardige waterstof (de valentie van het tweede element wordt aangegeven met een Romeins cijfer):
- HCl - chloor (I):
- H2O - zuurstof (II);
- NH3 - stikstof (III);
- CH4 - koolstof (IV).
In oxiden K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 bepaalden de zuurstofvalentie van metalen en niet-metalen door het aantal toegevoegde O-atomen te verdubbelen De volgende waarden werden verkregen: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Hoe de valentie van chemische elementen te bepalen
Er zijn regelmatigheden in de vorming van een chemische binding met gemeenschappelijke elektronischekoppels:
- Typische waterstofvalentie is I.
- Gebruikelijke zuurstofwaarde - II.
- Voor niet-metalen elementen kan de laagste valentie worden bepaald door de formule 8 - het nummer van de groep waarin ze zich in het periodiek systeem bevinden. Het hoogste wordt, indien mogelijk, bepaald door het groepsnummer.
- Voor elementen van secundaire subgroepen is de maximaal mogelijke valentie hetzelfde als hun groepsnummer in het periodiek systeem.
Bepaling van de valentie van chemische elementen volgens de formule van de verbinding wordt uitgevoerd met behulp van het volgende algoritme:
- Schrijf de bekende waarde voor een van de elementen boven het chemische teken. In Mn2O7 is de zuurstofvalentie bijvoorbeeld II.
- Bereken de totale waarde waarvoor je de valentie moet vermenigvuldigen met het aantal atomen van hetzelfde chemische element in het molecuul: 27=14.
- Bepaal de valentie van het tweede element waarvoor het onbekend is. Deel de in stap 2 verkregen waarde door het aantal Mn-atomen in het molecuul.
- 14: 2=7. De valentie van mangaan in zijn hogere oxide is VII.
Constante en variabele valentie
Valentiewaarden voor waterstof en zuurstof zijn verschillend. Zo is zwavel in de verbinding H2S tweewaardig en in de formule SO3 is het zeswaardig. Koolstof vormt monoxide CO en dioxide CO2 met zuurstof. In de eerste verbinding is de valentie van C II en in de tweede IV. Dezelfde waarde in methaan CH4.
Meestelementen vertoont geen constante, maar een variabele valentie, bijvoorbeeld fosfor, stikstof, zwavel. De zoektocht naar de belangrijkste oorzaken van dit fenomeen leidde tot de opkomst van theorieën over chemische bindingen, ideeën over de valentieschil van elektronen en moleculaire orbitalen. Het bestaan van verschillende waarden van dezelfde eigenschap werd verklaard vanuit het standpunt van de structuur van atomen en moleculen.
Moderne ideeën over valentie
Alle atomen bestaan uit een positieve kern omringd door negatief geladen elektronen. De buitenste schil die ze vormen is onvoltooid. De voltooide structuur is het meest stabiel en bevat 8 elektronen (een octet). Het ontstaan van een chemische binding door gemeenschappelijke elektronenparen leidt tot een energetisch gunstige toestand van atomen.
De regel voor de vorming van verbindingen is de voltooiing van de schil door elektronen te accepteren of ongepaarde weg te geven - afhankelijk van welk proces gemakkelijker is. Als een atoom zorgt voor de vorming van negatieve deeltjes met een chemische binding die geen paar hebben, dan vormt het evenveel bindingen als ongepaarde elektronen. Volgens moderne concepten is de valentie van atomen van chemische elementen het vermogen om een bepaald aantal covalente bindingen te vormen. In een waterstofsulfidemolecuul H2S krijgt zwavel bijvoorbeeld valentie II (–), omdat elk atoom deelneemt aan de vorming van twee elektronenparen. Het "-" teken geeft de aantrekkingskracht van een elektronenpaar op een meer elektronegatief element aan. Voor een minder elektronegatieve waarde wordt "+" toegevoegd aan de valentiewaarde.
Met het donor-acceptormechanisme nemen elektronenparen van het ene element en vrije valentie-orbitalen van een ander element deel aan het proces.
Afhankelijkheid van valentie van de structuur van het atoom
Laten we eens kijken naar het voorbeeld van koolstof en zuurstof, hoe de valentie van chemische elementen afhangt van de structuur van de stof. Het periodiek systeem geeft een idee van de belangrijkste kenmerken van het koolstofatoom:
- chemisch teken - C;
- element nummer - 6;
- kernlading - +6;
- protonen in de kern - 6;
- elektronen - 6, inclusief 4 externe, waarvan 2 een paar vormen, 2 ongepaard.
Als een koolstofatoom in CO-monoxide twee bindingen vormt, komen er maar 6 negatieve deeltjes in aanmerking. Om een octet te verkrijgen, is het noodzakelijk dat de paren 4 externe negatieve deeltjes vormen. Koolstof heeft valentie IV (+) in dioxide en IV (–) in methaan.
Ordinaal aantal zuurstof is 8, de valentieschil bestaat uit zes elektronen, waarvan 2 geen paren vormen en deelnemen aan chemische binding en interactie met andere atomen. Een typische zuurstofvalentie is II (–).
Valentie en oxidatietoestand
In veel gevallen is het handiger om het concept van "oxidatietoestand" te gebruiken. Dit is de naam die wordt gegeven aan de lading van een atoom die het zou krijgen als alle bindingselektronen zouden worden overgebracht naar een element met een hogere elektronegativiteitswaarde (EO). Het oxidatiegetal in een eenvoudige stof isnul. Het "-" teken wordt toegevoegd aan de oxidatietoestand van het meer EO-element, het "+" teken wordt toegevoegd aan het minder elektronegatieve element. Voor metalen van de belangrijkste subgroepen zijn bijvoorbeeld oxidatietoestanden en ionenladingen typisch, gelijk aan het groepsnummer met een "+" -teken. In de meeste gevallen zijn de valentie en oxidatietoestand van atomen in dezelfde verbinding numeriek hetzelfde. Alleen bij interactie met meer elektronegatieve atomen is de oxidatietoestand positief, bij elementen waarin de EO lager is, is deze negatief. Het concept van "valentie" wordt vaak alleen toegepast op stoffen met een moleculaire structuur.
