WARTOŚCIOWOŚĆ(łac. valentia - siła) zdolność atomu do przyłączania lub zastępowania określonej liczby innych atomów lub grup atomów.
Przez wiele dziesięcioleci pojęcie wartościowości było jednym z podstawowych, fundamentalnych pojęć w chemii. Wszyscy studenci chemii muszą zetknąć się z tym pojęciem. Na początku wydawało im się to dość proste i jednoznaczne: wodór jest jednowartościowy, tlen jest dwuwartościowy itp. W jednym z podręczników dla wnioskodawców czytamy: „Wartowość to liczba wiązań chemicznych utworzonych przez atom w związku”. Ale jaka zatem, zgodnie z tą definicją, jest wartościowość węgla w węgliku żelaza Fe 3 C, w karbonylu żelaza Fe 2 (CO) 9, w dawno znanych solach K 3 Fe(CN) 6 i K 4 Fe( CN) 6? Nawet w chlorku sodu każdy atom w krysztale NaCl jest związany z sześcioma innymi atomami! Dlatego wiele definicji, nawet tych drukowanych w podręcznikach, należy stosować bardzo ostrożnie.
We współczesnych publikacjach można spotkać różne, często niespójne, definicje. Na przykład: „Walencja to zdolność atomów do tworzenia określonej liczby wiązań kowalencyjnych”. Definicja ta jest jasna i jednoznaczna, ma jednak zastosowanie wyłącznie do związków posiadających wiązania kowalencyjne. Wartościowość atomu zależy od całkowitej liczby elektronów biorących udział w tworzeniu wiązania chemicznego; oraz liczba par elektronów, którymi dany atom jest połączony z innymi atomami; oraz liczba jego niesparowanych elektronów uczestniczących w tworzeniu wspólnych par elektronów. Trudności nastręcza także inna, często spotykana definicja wartościowości, jako liczby wiązań chemicznych, którymi dany atom jest połączony z innymi atomami, gdyż nie zawsze da się jednoznacznie określić, czym jest wiązanie chemiczne. Przecież nie wszystkie związki mają wiązania chemiczne utworzone przez pary elektronów. Najprostszym przykładem są kryształy jonowe, takie jak chlorek sodu; w nim każdy atom sodu tworzy wiązanie (jonowe) z sześcioma atomami chloru i odwrotnie. Czy wiązania wodorowe należy uważać za wiązania chemiczne (na przykład w cząsteczkach wody)?
Powstaje pytanie, jaka może być wartościowość atomu azotu zgodnie z jego różnymi definicjami. Jeżeli wartościowość jest określona przez całkowitą liczbę elektronów biorących udział w tworzeniu wiązań chemicznych z innymi atomami, wówczas maksymalną wartościowość atomu azotu należy uznać za równą pięciu, ponieważ atom azotu może wykorzystać wszystkie pięć swoich zewnętrznych elektronów - dwa s-elektrony i trzy p-elektrony - podczas tworzenia wiązań chemicznych. Jeśli wartościowość jest określona przez liczbę par elektronów, którymi dany atom jest połączony z innymi, to w tym przypadku maksymalna wartościowość atomu azotu wynosi cztery. W tym przypadku trzy p-elektrony tworzą trzy wiązania kowalencyjne z innymi atomami, a kolejne wiązanie powstaje z powodu dwóch 2s-elektronów azotu. Przykładem jest reakcja amoniaku z kwasami, w wyniku której powstaje kation amonowy. Wreszcie, jeśli wartościowość jest określona tylko przez liczbę niesparowanych elektronów w atomie, wówczas wartościowość azotu nie może być większa niż trzy, ponieważ atom N nie może mieć więcej. niż trzy niesparowane elektrony (wzbudzenie elektronu 2s może nastąpić dopiero na poziomie z n = 3, co jest energetycznie skrajnie niekorzystne). Zatem w halogenkach azot tworzy tylko trzy wiązania kowalencyjne i nie ma takich związków jak NF 5, NCl 5 czy NBr 5 (w przeciwieństwie do całkowicie stabilnych PF 3, PCl 3 i PBr 3). Ale jeśli atom azotu przeniesie jeden ze swoich elektronów 2s na inny atom, wówczas powstały kation N+ będzie miał cztery niesparowane elektrony, a wartościowość tego kationu będzie wynosić cztery. Dzieje się tak na przykład w cząsteczce kwasu azotowego. Zatem różne definicje wartościowości prowadzą do różnych wyników nawet w przypadku prostych cząsteczek.
Która z tych definicji jest „poprawna” i czy w ogóle możliwe jest podanie jednoznacznej definicji wartościowości? Aby odpowiedzieć na te pytania, warto wybrać się w podróż w przeszłość i zastanowić się, jak pojęcie „wartościowości” zmieniło się wraz z rozwojem chemii.
Idea wartościowości pierwiastków (która jednak nie zyskała wówczas uznania) została po raz pierwszy wyrażona w połowie XIX wieku. Angielski chemik E. Frankland: mówił o pewnej „pojemności nasycenia” metali i tlenu. Następnie wartościowość zaczęto rozumieć jako zdolność atomu do przyłączania lub zastępowania określonej liczby innych atomów (lub grup atomów) w celu utworzenia wiązania chemicznego. Jeden z twórców teorii budowy chemicznej, Friedrich August Kekule, napisał: „Wartowość jest podstawową właściwością atomu, właściwością tak stałą i niezmienną jak sama masa atomowa”. Kekule uważał wartościowość pierwiastka za wartość stałą. Pod koniec lat pięćdziesiątych XIX wieku większość chemików uważała, że wartościowość (wówczas nazywana „atomowością”) węgla wynosi 4, wartościowość tlenu i siarki wynosi 2, a halogenów 1. W 1868 roku niemiecki chemik K. G. Wichelhaus zaproponował zastosowanie termin „atomowość” zamiast „wartościowość” (po łacinie valentia – siła). Jednak przez długi czas prawie nie stosowano go, przynajmniej w Rosji (zamiast tego mówiono np. o „jednostkach powinowactwa”, „liczbie ekwiwalentów”, „liczbie udziałów” itp.). Znamienne jest, że w Słownik encyklopedyczny Brockhausa i Efrona(prawie wszystkie artykuły na temat chemii w tej encyklopedii zostały zrecenzowane, zredagowane i często napisane przez D.I. Mendelejewa) w ogóle nie ma artykułu na temat „wartościowości”. Nie ma go także w klasycznym dziele Mendelejewa. Podstawy chemii(tylko sporadycznie wspomina pojęcie „atomowości”, nie zagłębiając się w niego szczegółowo i nie podając jego jednoznacznej definicji).
Aby jasno ukazać trudności, jakie towarzyszyły pojęciu „walencji” od samego początku, wypada przytoczyć to, co było popularne na początku XX wieku. w wielu krajach, ze względu na wielki talent pedagogiczny autora, podręcznik amerykańskiego chemika Aleksandra Smitha, opublikowany przez niego w 1917 r. (w tłumaczeniu na język rosyjski - w 1911, 1916 i 1931 r.): „Żadna koncepcja w chemii nie otrzymała tyle niejasnych i nieprecyzyjnych definicji jak pojęcie wartościowości” I dalej w tym dziale Niektóre dziwactwa w poglądach na wartościowość autor pisze:
„Kiedy po raz pierwszy skonstruowano koncepcję wartościowości, sądzono – całkowicie błędnie – że każdy pierwiastek ma jedną wartościowość. Dlatego też rozważając pary związków takie jak CuCl i CuCl 2, czyli... FeCl 2 i FeCl 3, wychodziliśmy z założenia, że miedź Zawsze jest dwuwartościowy, a żelazo trójwartościowe i na tej podstawie zniekształcili wzory, aby dopasować je do tego założenia. Zatem wzór monochlorku miedzi zapisano (i często zapisuje się do dziś) w następujący sposób: Cu 2 Cl 2. W tym przypadku wzory dwóch związków chlorku miedzi w przedstawieniu graficznym przyjmują postać: Cl–Cu–Cu–Cl i Cl–Cu–Cl. W obu przypadkach każdy atom miedzi zawiera (na papierze) dwie jednostki i dlatego jest dwuwartościowy (na papierze). Podobnie... podwojenie wzoru FeCl 2 dało Cl 2 > Fe – Fe 2, co pozwoliło nam uznać... żelazo za trójwartościowe. Następnie Smith wyciąga zawsze bardzo ważny i trafny wniosek: „Wymyślanie lub zniekształcanie faktów w celu wsparcia idei, która nie jest oparta na doświadczeniu, jest wynikiem zwykłych domysłów, jest całkowicie sprzeczne z metodą naukową. Historia nauki pokazuje jednak, że tego typu błędy często się zdarzają.”
Przeglądu idei z początku stulecia na temat wartościowości dokonał w 1912 roku rosyjski chemik L.A. Chugaev, który zyskał światowe uznanie dzięki swojej pracy nad chemią związków złożonych. Chugaev wyraźnie pokazał trudności związane z definicją i zastosowaniem pojęcia wartościowości:
„Walencja jest terminem używanym w chemii w tym samym znaczeniu, co „atomowość” i oznacza maksymalną liczbę atomów wodoru (lub innych atomów jednoatomowych lub rodników jednoatomowych), z którymi atom danego pierwiastka może być w bezpośrednim związku (lub z którymi jest w stanie zastąpić). Słowo wartościowość jest również często używane w znaczeniu jednostki wartościowości lub jednostki powinowactwa. Dlatego mówią, że tlen ma dwa, azot trzy itd. Słowa wartościowość i „atomowość” były wcześniej używane bez żadnego rozróżnienia, ale ponieważ same wyrażane przez nie pojęcia utraciły swoją pierwotną prostotę i stały się bardziej skomplikowane, w wielu przypadkach w użyciu pozostało jedynie słowo wartościowość... Komplikacja koncepcja wartościowości zaczęła się od uznania, że wartościowość jest wielkością zmienną... i w sensie materii jest zawsze wyrażana jako liczba całkowita.
Chemicy wiedzieli, że wiele metali ma zmienną wartościowość i powinni byli porozmawiać na przykład o chromie dwuwartościowym, trójwartościowym i sześciowartościowym. Czugajew stwierdził, że nawet w przypadku węgla należy uwzględnić możliwość, że jego wartościowość może być różna od 4, a CO nie jest jedynym wyjątkiem: „Węgiel dwuwartościowy najprawdopodobniej zawarty jest w karbilaminach CH 3 -N=C, w kwasie piorunianowym i jego solach C=NOH, C=NOMe itd. Wiemy, że węgiel trójatomowy również istnieje...” Omawiając teorię niemieckiego chemika I. Thiele o „częściowych” lub częściowych wartościowościach, Chugaev mówił o nim jako „jedna z pierwszych prób rozszerzenia klasycznego pojęcia wartościowości na przypadki, do których jako taka nie ma zastosowania. Jeśli Thiele doszedł do potrzeby... dopuszczenia „fragmentacji” jednostek wartościowości, to istnieje cały szereg faktów, które zmuszają nas, w innym sensie, do wyprowadzenia pojęcia wartościowości z wąskich ram, w jakich pierwotnie był zawarty. Widzieliśmy, że badanie najprostszych (przeważnie binarnych...) związków utworzonych przez pierwiastki chemiczne dla każdego z tych ostatnich zmusza nas do przyjęcia pewnych, zawsze małych i oczywiście pełnych wartości ich wartościowości. Takich wartości, ogólnie rzecz biorąc, jest bardzo niewiele (pierwiastki wykazujące więcej niż trzy różne wartościowości są rzadkie)... Doświadczenie pokazuje jednak, że gdy wszystkie wyżej wymienione jednostki wartościowości uznać za nasycone, zdolność powstałych cząsteczek do dalszego dodatek nie osiągnął jeszcze limitu. Zatem sole metali dodają wodę, amoniak, aminy..., tworząc różne hydraty, amoniak... itd. złożone związki, które... obecnie klasyfikujemy jako złożone. Istnienie takich związków, które nie mieszczą się w ramach najprostszej idei walencji, w naturalny sposób wymagało jej rozwinięcia i wprowadzenia dodatkowych hipotez. Jedna z takich hipotez, zaproponowana przez A. Wernera, głosi, że obok głównych, czyli podstawowych, jednostek wartościowości istnieją także inne, drugorzędne. Te ostatnie są zwykle oznaczone linią przerywaną.
Rzeczywiście, jaką wartościowość należy na przykład przypisać atomowi kobaltu w jego chlorku, który dodał sześć cząsteczek amoniaku, tworząc związek CoCl 3 6NH 3 (lub, co to samo, Co(NH 3) 6 Cl 3) ? W nim atom kobaltu łączy się jednocześnie z dziewięcioma atomami chloru i azotu! D.I. Mendelejew napisał przy tej okazji o mało zbadanych „siłach szczątkowego powinowactwa”. Natomiast szwajcarski chemik A. Werner, twórca teorii związków złożonych, wprowadził pojęcia wartościowości głównej (pierwotnej) i wartościowości wtórnej (wtórnej) (we współczesnej chemii pojęcia te odpowiadają stopniowi utlenienia i liczbie koordynacyjnej). Obie wartościowości mogą być zmienne, a w niektórych przypadkach ich rozróżnienie jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe.
Następnie Chugaev dotyka teorii elektrowalencji R. Abegga, która może być dodatnia (w związkach z wyższą zawartością tlenu) lub ujemna (w związkach z wodorem). Co więcej, suma najwyższych wartościowości pierwiastków dla tlenu i wodoru dla grup IV do VII wynosi 8. Prezentacja w wielu podręcznikach chemii nadal opiera się na tej teorii. Podsumowując, Chugaev wspomina o związkach chemicznych, dla których koncepcja wartościowości jest praktycznie niemożliwa do zastosowania - związkach międzymetalicznych, których skład „często wyraża się za pomocą bardzo osobliwych wzorów, bardzo mało przypominających zwykłe wartości wartościowości. Są to np. związki: NaCd 5, NaZn 12, FeZn 7, itp.”
Inny znany rosyjski chemik I.A. Kablukov wskazał w swoim podręczniku na pewne trudności w określeniu wartościowości Podstawowe zasady chemii nieorganicznej, wydany w 1929 r. Jeśli chodzi o numer koordynacyjny, przytoczmy (w tłumaczeniu rosyjskim) podręcznik wydany w Berlinie w 1933 r. przez jednego z twórców współczesnej teorii roztworów, duńskiego chemika Nielsa Bjerruma:
„Zwykłe liczby walencyjne nie dają pojęcia o charakterystycznych właściwościach wielu atomów w licznych złożonych związkach. Aby wyjaśnić zdolność atomów lub jonów do tworzenia związków złożonych, wprowadzono nową specjalną serię liczb dla atomów i jonów, różniącą się od zwykłych liczb walencyjnych. W złożonych jonach srebra... większość z nich jest bezpośrednio związana z centralnym atomem metalu dwa atom lub dwie grupy atomów, np. Ag(NH 3) 2 +, Ag(CN) 2 –, Ag(S 2 O 3) 2 –... Aby opisać to wiązanie, stosuje się pojęcie numer koordynacyjny i przypisz liczbę koordynacyjną 2 do jonów Ag +. Jak widać z podanych przykładów, grupy są z nimi powiązane atom centralny, mogą być obojętnymi cząsteczkami (NH 3) i jonami (CN –, S 2 O 3 –). Dwuwartościowy jon miedzi Cu ++ i trójwartościowy jon złota Au +++ mają w większości przypadków liczbę koordynacyjną 4. Liczba koordynacyjna atomu oczywiście nie wskazuje jeszcze, jaki rodzaj wiązania istnieje między atomem centralnym a inne atomy lub grupy atomów z nim związane; okazało się jednak, że jest to doskonałe narzędzie do systematyki związków złożonych.”
A. Smith podaje w swoim podręczniku bardzo jasne przykłady „szczególnych właściwości” związków złożonych:
„Rozważmy następujące „molekularne” związki platyny: PtCl 4 2NH 3, PtCl 4 4NH 3, PtCl 4 6NH 3 i PtCl 4 2KCl. Bliższe badanie tych związków ujawnia szereg niezwykłych właściwości. Pierwszy związek w roztworze praktycznie nie rozkłada się na jony; przewodność elektryczna jego roztworów jest wyjątkowo niska; azotan srebra nie wytrąca się wraz z nim osadu AgCl. Werner przyjął, że atomy chloru są związane z atomem platyny zwykłymi wartościowościami; Werner nazwał je głównymi, a cząsteczki amoniaku są połączone z atomem platyny dodatkowymi, wtórnymi wartościowościami. Związek ten według Wernera ma następującą strukturę:
Duże nawiasy wskazują integralność grupy atomów, kompleksu, który nie rozpada się po rozpuszczeniu związku.
Drugi związek ma inne właściwości niż pierwszy; jest to elektrolit, przewodność elektryczna jego roztworów jest tego samego rzędu, co przewodność elektryczna roztworów soli rozkładających się na trzy jony (K 2 SO 4, BaCl 2, MgCl 2); azotan srebra wytrąca dwa z czterech atomów. Według Wernera jest to związek o strukturze: 2– + 2Cl–. Tutaj mamy jon złożony; atomy chloru w nim nie są wytrącane przez azotan srebra, a kompleks ten tworzy wewnętrzną kulę atomów wokół jądra - atom Pt w związku atomy chloru, które oddzieliły się w postaci jonów, tworzą zewnętrzną kulę atomów, dlatego zapisujemy je poza dużymi nawiasami. Jeśli założymy, że Pt ma cztery główne wartościowości, to w tym kompleksie użyte są tylko dwie, podczas gdy pozostałe dwie są utrzymywane przez dwa zewnętrzne atomy chloru. W pierwszym związku w samym kompleksie zastosowano wszystkie cztery wartościowości platyny, przez co związek ten nie jest elektrolitem.
W trzecim związku wszystkie cztery atomy chloru wytrącają się azotanem srebra; wysoka przewodność elektryczna tej soli wskazuje, że wytwarza ona pięć jonów; oczywiste jest, że jego struktura jest następująca: 4– + 4Cl – ... W jonie złożonym wszystkie cząsteczki amoniaku są związane z Pt drugorzędowymi wartościowościami; odpowiadające czterem głównym wartościowościom platyny, w sferze zewnętrznej znajdują się cztery atomy chloru.
W czwartym związku azotan srebra w ogóle nie wytrąca chloru, przewodność elektryczna jego roztworów wskazuje na rozkład na trzy jony, a reakcje wymiany ujawniają jony potasu. Przypisujemy temu związkowi następującą strukturę 2– + 2K + . W jonie kompleksowym stosuje się cztery główne wartościowości Pt, ale ponieważ nie stosuje się głównych wartościowości dwóch atomów chloru, w sferze zewnętrznej można zatrzymać dwa dodatnie jony jednowartościowe (2K +, 2NH 4 + itp.). ”
Podane przykłady uderzających różnic we właściwościach na zewnątrz podobnych kompleksów platyny dają wyobrażenie o trudnościach, jakie napotkali chemicy, próbując jednoznacznie określić wartościowość.
Po stworzeniu elektronicznych pomysłów na temat struktury atomów i cząsteczek pojęcie „elektrowalencji” zaczęło być szeroko stosowane. Ponieważ atomy mogą zarówno oddawać, jak i przyjmować elektrony, elektrowalencja może być dodatnia lub ujemna (obecnie zamiast elektrowalencji używa się pojęcia stopnia utlenienia). Jak spójne były nowe elektroniczne pomysły na temat wartościowości z poprzednimi? Pisze o tym N. Bjerrum w cytowanym już podręczniku: „Istnieje pewna zależność pomiędzy zwykłymi liczbami walencyjnymi a wprowadzonymi nowymi liczbami – elektrowalencją i liczbą koordynacyjną – ale nie są one bynajmniej identyczne. Stara koncepcja wartościowości podzieliła się na dwie nowe koncepcje. Przy tej okazji Bjerrum poczynił ważną notatkę: „Liczba koordynacyjna węgla wynosi w większości przypadków 4, a jego elektrowalencja wynosi +4 lub –4. Ponieważ w przypadku atomu węgla obie liczby zwykle pokrywają się, związki węgla nie nadają się do badania różnic między tymi dwoma pojęciami.
W ramach elektronicznej teorii wiązań chemicznych, rozwiniętej w pracach amerykańskiego fizykochemika G. Lewisa i niemieckiego fizyka W. Kossela, pojawiły się takie pojęcia, jak wiązanie donor-akceptor (koordynacyjne) i kowalencja. Zgodnie z tą teorią o wartościowości atomu decydowała liczba jego elektronów uczestniczących w tworzeniu wspólnych par elektronowych z innymi atomami. W tym przypadku za maksymalną wartościowość pierwiastka uznano liczbę elektronów w zewnętrznej powłoce elektronowej atomu (jest ona zgodna z numerem grupy układu okresowego, do której należy ten pierwiastek). Według innych pomysłów, opartych na prawach chemii kwantowej (opracowanych przez niemieckich fizyków W. Heitlera i F. Londona), nie należy liczyć wszystkich elektronów zewnętrznych, a jedynie niesparowanych (w stanie podstawowym lub wzbudzonym atomu). ; Dokładnie taką definicję podaje się w wielu encyklopediach chemicznych.
Znane są jednak fakty, które nie mieszczą się w tym prostym schemacie. Zatem w wielu związkach (na przykład w ozonie) para elektronów może pomieścić nie dwa, ale trzy jądra; w innych cząsteczkach wiązanie chemiczne może być realizowane przez pojedynczy elektron. Nie da się opisać takich połączeń bez użycia aparatury chemii kwantowej. Jak na przykład określić wartościowość atomów w związkach takich jak pentaboran B 5 H 9 i inne borany z wiązaniami „mostkowymi”, w których atom wodoru jest związany jednocześnie z dwoma atomami boru; ferrocen Fe(C 5 H 5) 2 (atom żelaza o stopniu utlenienia +2 jest związany jednocześnie z 10 atomami węgla); pentakarbonyl żelaza Fe(CO) 5 (atom żelaza na zerowym stopniu utlenienia jest związany z pięcioma atomami węgla); Chromian pentakarbonylu sodu Na 2 Cr(CO) 5 (stan utlenienia chromu-2)? Takie „nieklasyczne” przypadki wcale nie są wyjątkowe. W miarę rozwoju chemii takich „naruszaczy wartościowości” i związków o różnych „egzotycznych wartościowościach” przybywało.
Aby ominąć pewne trudności, podano definicję, zgodnie z którą przy określaniu wartościowości atomu należy wziąć pod uwagę całkowitą liczbę niesparowanych elektronów, samotnych par elektronów i wolnych orbitali biorących udział w tworzeniu wiązań chemicznych. Wolne orbitale są bezpośrednio zaangażowane w tworzenie wiązań donor-akceptor w różnych złożonych związkach.
Jednym z wniosków jest to, że rozwój teorii i zdobywanie nowych danych eksperymentalnych doprowadziło do tego, że próby osiągnięcia jasnego zrozumienia natury wartościowości podzieliły to pojęcie na szereg nowych pojęć, takich jak wartościowość główna i wtórna, wartościowość i kowalencyjność jonowa, liczba koordynacyjna i stopień utlenienia itp. Oznacza to, że pojęcie „wartościowości” „rozdzieliło się” na szereg niezależnych pojęć, z których każde działa w określonym obszarze. Najwyraźniej tradycyjne pojęcie wartościowości ma jasne i jednoznaczne znaczenie tylko dla związków, w których wszystkie wiązania chemiczne są dwucentrowe (tj. łączą tylko dwa atomy), a każde wiązanie realizowane jest przez parę elektronów znajdujących się pomiędzy dwoma sąsiednimi atomami, w innymi słowy - dla związków kowalencyjnych, takich jak HCl, CO 2, C 5 H 12 itp.
Drugi wniosek nie jest do końca powszechny: termin „walencja”, choć używany we współczesnej chemii, ma bardzo ograniczone zastosowanie; próby nadania mu jednoznacznej definicji „na każdą okazję” są mało produktywne i prawie nie potrzebne. Nie bez powodu autorzy wielu podręczników, zwłaszcza tych wydawanych za granicą, w ogóle rezygnują z tego pojęcia lub ograniczają się do wskazania, że pojęcie „walencji” ma znaczenie głównie historyczne, podczas gdy obecnie chemicy posługują się głównie bardziej rozpowszechnionymi, choć nieco sztuczna, koncepcja „stopnia” utlenienia.”
Ilia Leenson
Ludzie często słyszą słowo „wartościowość”, nie do końca rozumiejąc, co to jest. Czym więc jest wartościowość? Wartościowość jest jednym z terminów używanych w strukturze chemicznej. Wartościowość zasadniczo określa zdolność atomu do tworzenia wiązań chemicznych. Ilościowo wartościowość to liczba wiązań, w których uczestniczy atom.
Jaka jest wartościowość pierwiastka
Wartościowość jest wskaźnikiem zdolności atomu do przyłączania innych atomów, tworząc z nimi wiązania chemiczne wewnątrz cząsteczki. Liczba wiązań atomu jest równa liczbie jego niesparowanych elektronów. Wiązania te nazywane są kowalencyjnymi.
Niesparowany elektron to wolny elektron na zewnętrznej powłoce atomu, który łączy się w parę z zewnętrznym elektronem innego atomu. Każda para takich elektronów nazywana jest „elektronem”, a każdy z elektronów nazywany jest elektronem walencyjnym. Tak więc definicja słowa „wartościowość” to liczba par elektronów, którymi jeden atom jest połączony z innym atomem.
Wartościowość można schematycznie przedstawić w strukturalnych wzorach chemicznych. Jeżeli nie jest to konieczne, stosuje się proste wzory, w których nie jest wskazana wartościowość.
Maksymalna wartościowość pierwiastków chemicznych z jednej grupy układu okresowego Mendelejewa jest równa numerowi seryjnemu tej grupy. Atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różną wartościowość w różnych związkach chemicznych. Polaryzacja utworzonych wiązań kowalencyjnych nie jest brana pod uwagę. Dlatego wartościowość nie ma znaku. Ponadto wartościowość nie może być wartością ujemną i równą zero.
Czasami pojęcie „wartościowości” utożsamia się z pojęciem „stanu utlenienia”, ale nie jest to prawdą, chociaż czasami te wskaźniki się pokrywają. Stopień utlenienia to termin formalny odnoszący się do możliwego ładunku, jaki otrzymałby atom, gdyby jego pary elektronów zostały przeniesione na atomy bardziej elektrycznie ujemne. Tutaj stopień utlenienia może mieć pewien znak i jest wyrażony w jednostkach ładunku. Termin ten jest powszechny w chemii nieorganicznej, ponieważ w związkach nieorganicznych trudno jest ocenić wartościowość. I odwrotnie, w chemii organicznej stosuje się wartościowość, ponieważ większość związków organicznych ma strukturę molekularną.
Teraz już wiesz, jaka jest wartościowość pierwiastków chemicznych!
Patrząc na wzory różnych związków, łatwo to zauważyć liczba atomów tego samego pierwiastka w cząsteczkach różnych substancji nie jest identyczny. Na przykład HCl, NH 4 Cl, H 2 S, H 3 PO 4 itp. Liczba atomów wodoru w tych związkach waha się od 1 do 4. Jest to charakterystyczne nie tylko dla wodoru.
Jak zgadnąć, jaki indeks umieścić obok oznaczenia pierwiastka chemicznego? Jak powstają formuły substancji? Łatwo to zrobić, jeśli znasz wartościowość pierwiastków tworzących cząsteczkę danej substancji.
– Jest to właściwość atomu danego pierwiastka polegająca na przyłączaniu, zatrzymywaniu lub zastępowaniu określonej liczby atomów innego pierwiastka w reakcjach chemicznych. Jednostką wartościowości jest wartościowość atomu wodoru. Dlatego czasami definicję wartościowości formułuje się w następujący sposób: wartościowość – Jest to właściwość atomu danego pierwiastka polegająca na przyłączaniu lub zastępowaniu określonej liczby atomów wodoru.
Jeśli jeden atom wodoru jest przyłączony do jednego atomu danego pierwiastka, to pierwiastek jest jednowartościowy, jeśli jest dwa – dwuwartościowe i itp. Związki wodoru nie są znane dla wszystkich pierwiastków, ale prawie wszystkie pierwiastki tworzą związki z tlenem O. Uważa się, że tlen jest stale dwuwartościowy.
Stała wartościowość:
I –
H, Na, Li, K, Rb, Cs
II –
O, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd
III –
B, Al, Ga, In
Co jednak zrobić, jeśli pierwiastek nie łączy się z wodorem? Następnie wartościowość wymaganego pierwiastka jest określana przez wartościowość znanego pierwiastka. Najczęściej stwierdza się to przy użyciu wartościowości tlenu, ponieważ w związkach jego wartościowość wynosi zawsze 2. Na przykład, nie jest trudno znaleźć wartościowość pierwiastków w następujących związkach: Na 2 O (wartościowość Na – 1, o – 2), Al 2 O 3 (wartościowość Al – 3, o – 2).
Wzór chemiczny danej substancji można ustalić jedynie znając wartościowość pierwiastków. Na przykład łatwo jest utworzyć wzory na związki takie jak CaO, BaO, CO, ponieważ liczba atomów w cząsteczkach jest taka sama, ponieważ wartościowości pierwiastków są równe.
A co jeśli wartościowości są różne? Kiedy możemy działać w takiej sytuacji? Należy pamiętać o następującej zasadzie: we wzorze dowolnego związku chemicznego iloczyn wartościowości jednego pierwiastka przez liczbę jego atomów w cząsteczce jest równy iloczynowi wartościowości przez liczbę atomów innego pierwiastka . Na przykład, jeśli wiadomo, że wartościowość Mn w związku wynosi 7, a O – 2, wówczas wzór związku będzie wyglądał następująco: Mn 2 O 7.
Jak otrzymaliśmy formułę?
Rozważmy algorytm zestawiania wzorów według wartościowości dla związków składających się z dwóch pierwiastków chemicznych.
Istnieje zasada, że liczba wartościowości jednego pierwiastka chemicznego jest równa liczbie wartościowości innego pierwiastka. Rozważmy przykład tworzenia cząsteczki składającej się z manganu i tlenu.
Będziemy komponować zgodnie z algorytmem:
1. Symbole pierwiastków chemicznych zapisujemy obok siebie:
2.
Liczby ich wartościowości nakładamy na pierwiastki chemiczne (wartościowość pierwiastka chemicznego można znaleźć w tablicy układu okresowego Mendelewa, dla manganu –
7, przy tlenie –
2.
3. Znajdź najmniejszą wspólną wielokrotność (najmniejszą liczbę, która dzieli się przez 7 i 2 bez reszty). Liczba ta wynosi 14. Dzielimy ją przez wartościowości pierwiastków 14: 7 = 2, 14: 2 = 7, 2 i 7 będą wskaźnikami odpowiednio fosforu i tlenu. Zastępujemy indeksy.
Znając wartościowość jednego pierwiastka chemicznego, kierując się zasadą: wartościowość jednego pierwiastka × liczba jego atomów w cząsteczce = wartościowość innego pierwiastka × liczba atomów tego (innego) pierwiastka, możesz wyznaczyć wartościowość innego pierwiastka.
Mn 2 O 7 (7 2 = 2 7).
Pojęcie wartościowości zostało wprowadzone do chemii, zanim poznano strukturę atomu. Obecnie ustalono, że ta właściwość pierwiastka jest związana z liczbą elektronów zewnętrznych. W przypadku wielu pierwiastków maksymalna wartościowość wynika z położenia tych pierwiastków w układzie okresowym.
Nadal masz pytania? Chcesz wiedzieć więcej o wartościowości?
Aby uzyskać pomoc od nauczyciela -.
blog.site, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do oryginalnego źródła.
Atomy pierwiastków chemicznych mogą tworzyć różną liczbę wiązań. Ta umiejętność ma specjalną nazwę - wartościowość. Zastanówmy się, jak określić wartościowość za pomocą układu okresowego, dowiedz się, co to jest to różnica w stosunku do stopnia utlenianie, zobaczymy wzory charakterystyczne dla węgla, fosforu, cynku, nauczymy się znajdować wartościowość pierwiastków chemicznych.
Podstawy
Wartościowość to zdolność atomów różnych pierwiastków chemicznych do tworzenia między sobą wiązań. Innymi słowy, możemy powiedzieć, że jest to zdolność atomu do przyłączania do siebie określonej liczby innych atomów.
Ważny! Nie zawsze jest to stała liczba dla tego samego elementu. W różnych związkach element może mieć różne znaczenia.
Oznaczanie według tabeli D.I. Mendelejew
Aby określić tę zdolność atomu, trzeba wiedzieć, co grupy i podgrupy układu okresowego.
Są to pionowe kolumny, które dzielą wszystkie elementy według określonego kryterium. W zależności od cechy wyróżnia się podziały elementów.
Kolumny te dzielą pierwiastki na pierwiastki ciężkie i lekkie, a także podgrupy - halogeny, gazy obojętne i tym podobne.
Aby więc określić zdolność elementu do tworzenia wiązań, należy kierować się dwiema zasadami:
- Najwyższa wartościowość pierwiastka jest równa jego numerowi grupy.
- Najniższą wartościowość określa się jako różnicę między liczbą 8 a numerem grupy, w której znajduje się pierwiastek.
Na przykład fosfor wykazuje wyższą wartościowość V – P 2 O 5 i niższe (8-5) = 3 – PF 3.
Przy określaniu tego wskaźnika warto również zwrócić uwagę na kilka głównych cech i cech:
- Wartościowość wodoru wynosi zawsze I – H 2 O, HNO 3, H 3 PO 4.
- Wartościowość jest zawsze równa II - CO 2, SO 3.
- W przypadku metali znajdujących się w głównej podgrupie wskaźnik ten jest zawsze równy numerowi grupy - Al 2 O 3, NaOH, KH.
- W przypadku niemetali najczęściej pojawiają się tylko dwie wartościowości - wyższa i niższa.
Istnieją również elementy, które mogą mieć 3 lub 4 różne wartości ten wskaźnik. Należą do nich chlor, bor, jod, chrom, siarka i inne. Na przykład chlor ma wartościowość odpowiednio I, III, V, VII - HCl, ClF 3, ClF 5, HClO 4.
Oznaczanie według wzoru
Aby określić według wzoru, możesz użyć kilku reguł:
- Jeśli znana jest wartościowość (V) jednego z pierwiastków w związku podwójnym: powiedzmy, że istnieje związek węgla i tlenu CO 2 i wiemy, że wartościowość tlenu jest zawsze równa II, wówczas możemy skorzystać następująca zasada: iloczyn liczby atomów przez jego V jednego pierwiastka powinien być równy iloczynowi liczby atomów innego pierwiastka przez jego V. Zatem wartościowość można znaleźć w ten sposób - 2 × 2 (w cząsteczce jest to 2 atomy tlenu z V = 2), to znaczy wartościowość węgla wynosi 4. Rozważmy jeszcze kilka przykładów: P 2 O 5 - tutaj wartościowość fosforu = (5*2)/2 = 5. HCl - wartościowość chloru będzie równa I, ponieważ w tej cząsteczce jest 1 atom wodoru, i V = 1.
- Jeżeli znana jest wartościowość kilku pierwiastków tworzących grupę: w cząsteczce wodorotlenku sodu NaOH wartościowość tlenu wynosi II, a wodoru I, zatem grupa -OH ma jedną wolną wartościowość, ponieważ tlen ma przyłączony tylko jeden atom wodoru i jeszcze jedno wiązanie jest wolne. Dołączy do niego sód. Możemy stwierdzić, że sód jest pierwiastkiem jednowartościowym.
Różnica między stanem utlenienia a wartościowością
Bardzo ważne jest zrozumienie zasadniczej różnicy między tymi pojęciami. Stopień utlenienia to konwencjonalny ładunek elektryczny, które posiada jądro atomu, natomiast wartościowość to liczba wiązań, jakie może utworzyć jądro pierwiastka.
Przyjrzyjmy się bliżej, jaki jest stopień utlenienia. Według współczesnej teorii budowy atomu jądro pierwiastka składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutronów bez ładunku, a wokół niego znajdują się elektrony o ładunku ujemnym, które równoważą ładunek jądra i czynią pierwiastek elektrycznie obojętnym.
Jeśli atom ustanawia wiązanie z innym pierwiastkiem, to oddaje lub przyjmuje elektrony, czyli wychodzi ze stanu równowagi i zaczyna mieć ładunek elektryczny. Co więcej, jeśli atom oddaje elektron, staje się naładowany dodatnio, a jeśli go przyjmuje, staje się naładowany ujemnie.
Uwaga! W związku chloru i wodoru HCl wodór oddaje jeden elektron i zyskuje ładunek +1, a chlor przyjmuje elektron i staje się ujemny -1. W związkach złożonych, HNO 3 i H 2 SO 4, stopnie utlenienia będą wynosić H +1 N +5 O 3 -2 i H 2 +1 S +6 O 4 -2.
Porównując te dwie definicje, możemy stwierdzić, że wartościowość i stopień utlenienia są często takie same: wartościowość wodoru +1 i wartościowość I, stopień utlenienia tlenu -2 i V II, ale bardzo ważne jest, aby o tym pamiętać zasada ta nie zawsze jest przestrzegana!
W organicznym związku węgla zwanym formaldehydem i wzorze HCOH węgiel ma stopień utlenienia 0, ale jego V wynosi 4. W nadtlenku wodoru H 2 O 2 tlen ma stopień utlenienia +1, ale V pozostaje równe do 2. Dlatego nie należy utożsamiać tych dwóch pojęć, ponieważ w niektórych przypadkach może to prowadzić do błędu.
Wartościowość wspólnych elementów
Wodór
Jeden z najpowszechniejszych pierwiastków we wszechświecie, występujący w wielu związkach i zawsze ma V=1. Wynika to ze struktury jego zewnętrznego orbitalu elektronowego, w którym wodór ma 1 elektron.
Na pierwszym poziomie mogą znajdować się jednocześnie nie więcej niż dwa elektrony, zatem wodór może albo oddać swój elektron i utworzyć wiązanie (powłoka elektronowa pozostanie pusta), albo przyjąć 1 elektron, tworząc także nowe wiązanie (powłoka elektronowa pozostanie pusta) powłoka elektronowa zostanie całkowicie wypełniona).
Przykład: H 2 O – 2 atomy wodoru o V=1 są związane z tlenem dwuwartościowym; HCl – jednowartościowy chlor i wodór; HCN to kwas cyjanowodorowy, w którym wodór również wykazuje wartość V wynoszącą 1.
