Az atomok és molekulák szerkezetére vonatkozó ismeretek szintje a 19. században nem tette lehetővé annak okát, hogy az atomok miért alakítanak ki bizonyos számú kötést más részecskékkel. De a tudósok ötletei megelőzték korukat, és a vegyértéket, mint a kémia egyik alapelvét, még mindig tanulmányozzák.
A "kémiai elemek vegyértéke" fogalmának történetéből
A 19. század kiváló angol kémikusa, Edward Frankland bevezette a tudományos használatba a "kötés" kifejezést az atomok egymás közötti kölcsönhatásának leírására. A tudós észrevette, hogy egyes kémiai elemek ugyanannyi más atommal alkotnak vegyületeket. Például a nitrogén három hidrogénatomot köt az ammónia molekulában.
1852 májusában Frankland azt feltételezte, hogy egy atom meghatározott számú kémiai kötést tud létrehozni más apró anyagrészecskékkel. Frankland a "összekötő erő" kifejezést használta annak leírására, amit később vegyértéknek neveznek. A brit vegyész meghatározta, hogy mennyiszázad közepén ismert egyes elemek atomjait képezik a kémiai kötések. Frankland munkája fontos hozzájárulást jelentett a modern szerkezeti kémiához.
Attitűdök fejlesztése
német vegyész F. A. Kekule 1857-ben bebizonyította, hogy a szén négybázisú. Legegyszerűbb vegyületében - a metánban - 4 hidrogénatomos kötések vannak. A tudós az "alaposság" kifejezést használta az elemek azon tulajdonságának jelölésére, hogy szigorúan meghatározott számú egyéb részecskékhez kapcsolódjanak. Oroszországban az anyag szerkezetére vonatkozó adatokat A. M. Butlerov (1861) rendszerezte. A kémiai kötés elmélete az elemek tulajdonságainak periodikus változásának doktrínájának köszönhetően tovább fejlődött. Szerzője egy másik kiváló orosz kémikus, D. I. Mengyelejev. Bebizonyította, hogy a kémiai elemek vegyértéke a vegyületekben és más tulajdonságok a periódusos rendszerben elfogl alt helyüknek köszönhető.
A vegyérték és a kémiai kötés grafikus ábrázolása
A molekulák vizuális ábrázolásának lehetősége a vegyértékelmélet egyik kétségtelen előnye. Az első modellek az 1860-as években jelentek meg, 1864 óta pedig szerkezeti képleteket használnak, amelyek körök, amelyek belsejében kémiai jel található. Az atomok szimbólumai között egy kötőjel jelöli a kémiai kötést, és ezen vonalak száma megegyezik a vegyérték értékével. Ugyanebben az években készültek el az első golyós-botos modellek (lásd a bal oldali fotót). 1866-ban Kekule javasolta az atom sztereokémiai rajzát.szén tetraéder formájában, amelyet Szerves kémia című tankönyvébe fogl alt.
A kémiai elemek vegyértékét és a kötések kialakulását G. Lewis tanulmányozta, aki 1923-ban publikálta munkáit az elektron felfedezése után. Ez a legkisebb negatív töltésű részecskék neve, amelyek az atomok héjának részét képezik. Lewis könyvében a kémiai elem szimbólumának négy oldala körüli pontokat használta a vegyértékelektronok ábrázolására.
Hidrogén és oxigén vegyértéke
A periodikus rendszer létrehozása előtt a vegyületekben lévő kémiai elemek vegyértékét általában összehasonlították azokkal az atomokkal, amelyekről ismert. A hidrogént és az oxigént választották standardnak. Egy másik kémiai elem vonzott vagy helyettesített bizonyos számú H és O atomot.
Ily módon az egyértékű hidrogént tartalmazó vegyületek tulajdonságait határoztuk meg (a második elem vegyértékét római szám jelzi):
- HCl - klór (I):
- H2O - oxigén (II);
- NH3 - nitrogén (III);
- CH4 - szén (IV).
Oxidokban K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 a fémek és nemfémek oxigén vegyértékét a hozzáadott O atomok számának megkétszerezésével határozta meg. A következő értékeket kaptuk: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
A kémiai elemek vegyértékének meghatározása
Vannak törvényszerűségek a kémiai kötések kialakulásában, amelyekben a közös elektronok is részt vesznekpárok:
- A tipikus hidrogén vegyérték az I.
- Szokásos oxigén vegyérték - II.
- A nemfémes elemeknél a legalacsonyabb vegyértéket a 8-as képlettel határozhatjuk meg – annak a csoportnak a száma, amelyben a periódusos rendszerben elhelyezkednek. A legmagasabbat, ha lehetséges, a csoportszám határozza meg.
- A másodlagos alcsoportok elemei esetében a lehetséges maximális vegyérték megegyezik a periódusos rendszerben lévő csoportszámukkal.
A kémiai elemek vegyértékének meghatározása a vegyület képlete szerint a következő algoritmussal történik:
- Írja be az egyik elem ismert értékét a kémiai jel fölé. Például az Mn2O7-ban az oxigén vegyértéke II.
- Számítsa ki azt a teljes értéket, amelyhez meg kell szoroznia a vegyértéket a molekulában lévő azonos kémiai elem atomjainak számával: 27=14.
- Határozza meg a második elem vegyértékét, amelyre ismeretlen. A 2. lépésben kapott értéket elosztjuk a molekulában lévő Mn atomok számával.
- 14: 2=7. A mangán vegyértéke magasabb oxidjában VII.
Állandó és változó vegyérték
A hidrogén és az oxigén vegyértékértékei eltérőek. Például a H2S vegyületben a kén kétértékű, az SO3 képletben pedig hat vegyértékű. A szén oxigénnel CO-monoxidot és CO2-t képez. Az első vegyületben a C vegyértéke II, a másodikban a IV. Ugyanez az érték metánban CH4.
A legtöbbAz elemek nem állandó, hanem változó vegyértéket mutatnak, például foszfor, nitrogén, kén. A jelenség fő okainak keresése a kémiai kötéselméletek, az elektronok vegyértékhéjával és a molekuláris pályákkal kapcsolatos elképzelések megjelenéséhez vezetett. Ugyanazon tulajdonság különböző értékeinek létezését az atomok és molekulák szerkezete szempontjából magyarázták.
Modern ötletek a valenciával kapcsolatban
Minden atom egy pozitív magból áll, amelyet negatív töltésű elektronok vesznek körül. Az általuk kialakított külső héj befejezetlen. Az elkészült szerkezet a legstabilabb, 8 elektront tartalmaz (egy oktett). A közös elektronpárok következtében létrejövő kémiai kötések az atomok energetikailag kedvező állapotához vezetnek.
A vegyületek képződésének szabálya az, hogy a héjat elektronok befogadásával vagy páratlanok leadásával kell kiegészíteni - attól függően, hogy melyik folyamat könnyebb. Ha egy atom biztosítja a kémiai kötés kialakulását olyan negatív részecskék, amelyeknek nincs párja, akkor annyi kötést képez, ahány párosítatlan elektronja van. A modern fogalmak szerint a kémiai elemek atomjainak vegyértéke bizonyos számú kovalens kötés kialakításának képessége. Például egy H2S hidrogén-szulfid molekulában a kén II (–) vegyértéket kap, mivel minden atom két elektronpár kialakításában vesz részt. A „–” jel azt jelzi, hogy egy elektronpár vonzódik egy elektronegatívabb elemhez. Kevésbé elektronegatív esetén a „+” hozzáadódik a vegyértékhez.
A donor-akceptor mechanizmussal az egyik elem elektronpárjai és egy másik elem szabad vegyértékpályái vesznek részt a folyamatban.
A vegyérték függése az atom szerkezetétől
Nézzük a szén és oxigén példáját, hogyan függ a kémiai elemek vegyértéke az anyag szerkezetétől. A periódusos rendszer képet ad a szénatom főbb jellemzőiről:
- kémiai jel - C;
- elemszám - 6;
- magtöltés - +6;
- protonok az atommagban - 6;
- elektronok - 6, köztük 4 külső, ebből 2 egy párt alkot, 2 párosítatlan.
Ha egy szénatom a CO-monoxidban két kötést hoz létre, akkor csak 6 negatív részecske kerül felhasználásra. Egy oktett megszerzéséhez szükséges, hogy a párok 4 külső negatív részecskét alkossanak. A szén dioxidban IV (+), metánban IV (–) vegyértékű.
Az oxigén sorszáma 8, a vegyértékhéj hat elektronból áll, amelyek közül 2 nem alkot párat, és részt vesz a kémiai kötésben és kölcsönhatásban más atomokkal. Egy tipikus oxigén vegyérték II (–).
Vértékérték és oxidációs állapot
Sok esetben kényelmesebb az "oxidációs állapot" fogalma. Így nevezik egy atom töltését, amelyet akkor kapna, ha az összes kötőelektront egy olyan elemre helyeznénk át, amelynek nagyobb az elektronegativitása (EO). Az oxidációs szám egy egyszerű anyagbannulla. A több EO elem oxidációs állapotához a „–” jelet, a kevésbé elektronegatívhoz a „+” jelet adjuk. Például a fő alcsoportok fémeire jellemzőek az oxidációs állapotok és az iontöltések, amelyek megegyeznek a „+” jelű csoportszámmal. A legtöbb esetben ugyanabban a vegyületben az atomok vegyértéke és oxidációs állapota számszerűen megegyezik. Csak elektronegatívabb atomokkal való kölcsönhatás esetén pozitív az oxidációs állapot, azoknál az elemeknél, amelyekben az EO alacsonyabb, negatív. A "valencia" fogalmát gyakran csak molekulaszerkezetű anyagokra alkalmazzák.
