Il livello di conoscenza della struttura di atomi e molecole nel 19° secolo non permetteva di spiegare il motivo per cui gli atomi formano un certo numero di legami con altre particelle. Ma le idee degli scienziati erano in anticipo sui tempi e la valenza è ancora oggetto di studio come uno dei principi di base della chimica.
Dalla storia del concetto di "valenza degli elementi chimici"
L'eccezionale chimico inglese del 19° secolo Edward Frankland introdusse il termine "legame" nell'uso scientifico per descrivere il processo di interazione degli atomi tra loro. Lo scienziato ha notato che alcuni elementi chimici formano composti con lo stesso numero di altri atomi. Ad esempio, l'azoto attacca tre atomi di idrogeno nella molecola di ammoniaca.
Nel maggio 1852, Frankland ipotizzò che esistesse un numero specifico di legami chimici che un atomo poteva formare con altre minuscole particelle di materia. Frankland usò la frase "forza di collegamento" per descrivere quella che in seguito sarebbe stata chiamata valenza. Il chimico britannico ha determinato quantoi legami chimici formano atomi di singoli elementi conosciuti a metà del 19° secolo. Il lavoro di Frankland è stato un importante contributo alla moderna chimica strutturale.
Sviluppare atteggiamenti
Il chimico tedesco F. A. Kekule dimostrò nel 1857 che il carbonio è tetrabasico. Nel suo composto più semplice - il metano - ci sono legami con 4 atomi di idrogeno. Lo scienziato ha usato il termine "basicità" per denotare la proprietà degli elementi di attaccare un numero rigorosamente definito di altre particelle. In Russia, i dati sulla struttura della materia furono sistematizzati da A. M. Butlerov (1861). La teoria del legame chimico ha ricevuto ulteriore sviluppo grazie alla dottrina del cambiamento periodico delle proprietà degli elementi. Il suo autore è un altro eccezionale chimico russo, D. I. Mendeleev. Dimostrò che la valenza degli elementi chimici nei composti e in altre proprietà è dovuta alla posizione che occupano nel sistema periodico.
Rappresentazione grafica di valenza e legame chimico
La possibilità di una rappresentazione visiva delle molecole è uno degli indubbi vantaggi della teoria della valenza. I primi modelli apparvero negli anni '60 dell'Ottocento e dal 1864 sono state utilizzate formule strutturali, che sono cerchi con all'interno un segno chimico. Tra i simboli degli atomi, un trattino indica un legame chimico e il numero di queste linee è uguale al valore della valenza. Negli stessi anni vengono realizzati i primi modelli a sfera e bastone (vedi foto a sinistra). Nel 1866, Kekule propose un disegno stereochimico dell'atomo.carbonio sotto forma di tetraedro, che ha incluso nel suo libro di testo Chimica organica.
La valenza degli elementi chimici e l'emergere di legami fu studiata da G. Lewis, che pubblicò i suoi lavori nel 1923 dopo la scoperta dell'elettrone. Questo è il nome delle particelle più piccole con carica negativa che fanno parte dei gusci degli atomi. Nel suo libro, Lewis ha usato i punti attorno ai quattro lati del simbolo dell'elemento chimico per rappresentare gli elettroni di valenza.
Valenza per idrogeno e ossigeno
Prima della creazione del sistema periodico, la valenza degli elementi chimici nei composti veniva solitamente confrontata con quegli atomi per i quali è nota. Idrogeno e ossigeno sono stati scelti come standard. Un altro elemento chimico ha attratto o sostituito un certo numero di atomi di H e O.
In questo modo sono state determinate le proprietà dei composti con idrogeno monovalente (la valenza del secondo elemento è indicata da un numero romano):
- HCl - cloro (I):
- H2O - ossigeno (II);
- NH3 - azoto (III);
- CH4 - carbonio (IV).
Negli ossidi K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 hanno determinato la valenza dell'ossigeno di metalli e non metalli raddoppiando il numero di atomi di O aggiunti. Sono stati ottenuti i seguenti valori: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Come determinare la valenza degli elementi chimici
Ci sono delle regolarità nella formazione di un legame chimico che coinvolge l'elettronica comunecoppie:
- La valenza tipica dell'idrogeno è I.
- Valenza abituale dell'ossigeno - II.
- Per gli elementi non metallici, la valenza più bassa può essere determinata dalla formula 8 - il numero del gruppo in cui si trovano nel sistema periodico. Il più alto, se possibile, è determinato dal numero del gruppo.
- Per gli elementi dei sottogruppi secondari, la massima valenza possibile è la stessa del numero del loro gruppo nella tavola periodica.
La determinazione della valenza degli elementi chimici secondo la formula del composto viene effettuata utilizzando il seguente algoritmo:
- Scrivi il valore noto per uno degli elementi sopra il segno chimico. Ad esempio, in Mn2O7 la valenza dell'ossigeno è II.
- Calcola il valore totale, per il quale devi moltiplicare la valenza per il numero di atomi dello stesso elemento chimico nella molecola: 27=14.
- Determina la valenza del secondo elemento per il quale è sconosciuto. Dividi il valore ottenuto nel passaggio 2 per il numero di atomi di Mn nella molecola.
- 14: 2=7. La valenza del manganese nel suo ossido superiore è VII.
Valenza costante e variabile
I valori di valenza per idrogeno e ossigeno sono diversi. Ad esempio, lo zolfo nel composto H2S è bivalente e nella formula SO3 è esavalente. Il carbonio forma monossido di CO e diossido di CO2 con l'ossigeno. Nel primo composto la valenza di C è II e nel secondo IV. Stesso valore in metano CH4.
La maggior parteelementi mostra non una costante, ma una valenza variabile, ad esempio fosforo, azoto, zolfo. La ricerca delle cause principali di questo fenomeno ha portato all'emergere di teorie del legame chimico, idee sul guscio di valenza degli elettroni e orbitali molecolari. L'esistenza di diversi valori della stessa proprietà è stata spiegata dal punto di vista della struttura degli atomi e delle molecole.
Idee moderne sulla valenza
Tutti gli atomi sono costituiti da un nucleo positivo circondato da elettroni caricati negativamente. Il guscio esterno che formano è incompiuto. La struttura completata è la più stabile, contenente 8 elettroni (un ottetto). L'emergere di un legame chimico dovuto a coppie di elettroni comuni porta a uno stato energeticamente favorevole degli atomi.
La regola per la formazione dei composti è il completamento del guscio accettando elettroni o regalando elettroni spaiati - a seconda di quale processo è più facile. Se un atomo prevede la formazione di un legame chimico particelle negative che non hanno una coppia, allora forma tanti legami quanti sono gli elettroni spaiati. Secondo i concetti moderni, la valenza degli atomi degli elementi chimici è la capacità di formare un certo numero di legami covalenti. Ad esempio, in una molecola di idrogeno solforato H2S, lo zolfo acquisisce valenza II (–), poiché ogni atomo partecipa alla formazione di due coppie di elettroni. Il segno “–” indica l'attrazione di una coppia di elettroni verso un elemento più elettronegativo. Per uno meno elettronegativo, "+" viene aggiunto al valore di valenza.
Con il meccanismo donatore-accettore, le coppie di elettroni di un elemento e gli orbitali di valenza libera di un altro elemento prendono parte al processo.
Dipendenza della valenza dalla struttura dell'atomo
Diamo un'occhiata all'esempio del carbonio e dell'ossigeno, come la valenza degli elementi chimici dipende dalla struttura della sostanza. La tavola periodica dà un'idea delle principali caratteristiche dell'atomo di carbonio:
- segno chimico - C;
- numero elemento - 6;
- carica di base - +6;
- protoni nel nucleo - 6;
- elettroni - 6, di cui 4 esterni, di cui 2 a coppia, 2 spaiati.
Se un atomo di carbonio nel monossido di CO forma due legami, solo 6 particelle negative vengono utilizzate. Per acquisire un ottetto, è necessario che le coppie formino 4 particelle negative esterne. Il carbonio ha valenza IV (+) nel biossido e IV (–) nel metano.
Il numero ordinale di ossigeno è 8, il guscio di valenza è composto da sei elettroni, 2 dei quali non formano coppie e prendono parte al legame chimico e all'interazione con altri atomi. Una tipica valenza dell'ossigeno è II (–).
Valenza e stato di ossidazione
In molti casi è più conveniente utilizzare il concetto di "stato di ossidazione". Questo è il nome dato alla carica di un atomo che acquisirebbe se tutti gli elettroni di legame fossero trasferiti ad un elemento che ha un valore di elettronegatività (EO) maggiore. Il numero di ossidazione in una sostanza semplice èzero. Il segno “–” viene aggiunto allo stato di ossidazione dell'elemento più EO, il segno “+” viene aggiunto a quello meno elettronegativo. Ad esempio, per i metalli dei principali sottogruppi, sono tipici gli stati di ossidazione e le cariche ioniche, pari al numero del gruppo con il segno “+”. Nella maggior parte dei casi, la valenza e lo stato di ossidazione degli atomi nello stesso composto sono numericamente gli stessi. Solo quando si interagisce con atomi più elettronegativi, lo stato di ossidazione è positivo, con elementi in cui l'EO è inferiore, è negativo. Il concetto di "valenza" è spesso applicato solo a sostanze di struttura molecolare.
