El nivell de coneixement sobre l'estructura dels àtoms i les molècules al segle XIX no permetia explicar el motiu pel qual els àtoms formen un cert nombre d'enllaços amb altres partícules. Però les idees dels científics anaven avançades al seu temps i la valència encara s'està estudiant com un dels principis bàsics de la química.
De la història del concepte de "valència dels elements químics"
El destacat químic anglès del segle XIX Edward Frankland va introduir el terme "enllaç" en l'ús científic per descriure el procés d'interacció dels àtoms entre ells. El científic va notar que alguns elements químics formen compostos amb el mateix nombre d' altres àtoms. Per exemple, el nitrogen s'uneix a tres àtoms d'hidrogen a la molècula d'amoníac.
Al maig de 1852, Frankland va plantejar la hipòtesi que hi havia un nombre específic d'enllaços químics que un àtom podia formar amb altres partícules diminutes de matèria. Frankland va utilitzar la frase "força de connexió" per descriure el que més tard s'anomenaria valència. El químic britànic va determinar quantels enllaços químics formen àtoms d'elements individuals coneguts a mitjans del segle XIX. El treball de Frankland va ser una contribució important a la química estructural moderna.
Desenvolupament d'actituds
El químic alemany F. A. Kekule va demostrar el 1857 que el carboni és tetrabàsic. En el seu compost més simple, el metà, hi ha enllaços amb 4 àtoms d'hidrogen. El científic va utilitzar el terme "basicitat" per indicar la propietat dels elements d'unir un nombre estrictament definit d' altres partícules. A Rússia, A. M. Butlerov (1861) va sistematitzar les dades sobre l'estructura de la matèria. La teoria de l'enllaç químic va rebre un major desenvolupament gràcies a la doctrina del canvi periòdic en les propietats dels elements. El seu autor és un altre químic rus destacat, D. I. Mendeleiev. Va demostrar que la valència dels elements químics en els compostos i altres propietats es deuen a la posició que ocupen en el sistema periòdic.
Representació gràfica de la valència i l'enllaç químic
La possibilitat d'una representació visual de les molècules és un dels avantatges indubtables de la teoria de la valència. Els primers models van aparèixer a la dècada de 1860, i des de 1864 s'utilitzen fórmules estructurals, que són cercles amb un signe químic al seu interior. Entre els símbols dels àtoms, un guió indica un enllaç químic, i el nombre d'aquestes línies és igual al valor de la valència. En els mateixos anys es van fer els primers models de pilota i pal (veure foto de l'esquerra). El 1866, Kekule va proposar un dibuix estereoquímic de l'àtom.carboni en forma de tetraedre, que va incloure al seu llibre de text Química orgànica.
La valència dels elements químics i l'aparició dels enllaços va ser estudiada per G. Lewis, que va publicar els seus treballs el 1923 després del descobriment de l'electró. Aquest és el nom de les partícules més petites carregades negativament que formen part de la capa dels àtoms. Al seu llibre, Lewis va utilitzar els punts al voltant dels quatre costats del símbol de l'element químic per representar electrons de valència.
València per a l'hidrogen i l'oxigen
Abans de la creació del sistema periòdic, la valència dels elements químics en els compostos normalment es comparava amb aquells àtoms pels quals se'l coneix. L'hidrogen i l'oxigen es van triar com a estàndards. Un altre element químic va atreure o substituir un cert nombre d'àtoms d'H i O.
D'aquesta manera, les propietats es van determinar en compostos amb hidrogen monovalent (la valència del segon element s'indica amb un nombre romà):
- HCl - clor (I):
- H2O - oxigen (II);
- NH3 - nitrogen (III);
- CH4 - carboni (IV).
En òxids K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 van determinar la valència de l'oxigen de metalls i no metalls duplicant el nombre d'àtoms d'O afegits. Es van obtenir els valors següents: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Com determinar la valència dels elements químics
Hi ha regularitats en la formació d'un enllaç químic que implica l'electrònica comunaparelles:
- La valència típica de l'hidrogen és I.
- València habitual de l'oxigen - II.
- Per als elements no metàl·lics, la valència més baixa es pot determinar mitjançant la fórmula 8: el nombre del grup en què es troben al sistema periòdic. El més alt, si és possible, es determina pel número de grup.
- Per als elements de subgrups secundaris, la valència màxima possible és la mateixa que el seu nombre de grup a la taula periòdica.
La determinació de la valència d'elements químics segons la fórmula del compost es realitza mitjançant el següent algorisme:
- Escriu el valor conegut d'un dels elements per sobre del signe químic. Per exemple, a Mn2O7 la valència de l'oxigen és II.
- Calculeu el valor total, pel qual heu de multiplicar la valència pel nombre d'àtoms del mateix element químic de la molècula: 27=14.
- Determineu la valència del segon element pel qual es desconeix. Dividiu el valor obtingut al pas 2 pel nombre d'àtoms de Mn de la molècula.
- 14: 2=7. La valència del manganès en el seu òxid superior és VII.
València constant i variable
Els valors de valència per a l'hidrogen i l'oxigen són diferents. Per exemple, el sofre del compost H2S és bivalent, i en la fórmula SO3 és hexavalent. El carboni forma monòxid de CO i diòxid de CO2 amb l'oxigen. En el primer compost, la valència de C és II, i en el segon, IV. Mateix valor en metà CH4.
La majoriaEls elements no presenten una valència constant, sinó variable, per exemple, fòsfor, nitrogen, sofre. La recerca de les principals causes d'aquest fenomen va provocar l'aparició de teories d'enllaç químic, idees sobre la capa de valència dels electrons i orbitals moleculars. L'existència de diferents valors d'una mateixa propietat es va explicar des del punt de vista de l'estructura dels àtoms i les molècules.
Idees modernes sobre la valència
Tots els àtoms consisteixen en un nucli positiu envoltat d'electrons carregats negativament. La closca exterior que formen està inacabada. L'estructura completa és la més estable, que conté 8 electrons (un octet). L'aparició d'un enllaç químic a causa de parells d'electrons comuns condueix a un estat energèticament favorable dels àtoms.
La regla per a la formació de compostos és completar la capa acceptant electrons o regalant-ne els no aparellats, segons quin procés sigui més fàcil. Si un àtom proporciona la formació d'un enllaç químic partícules negatives que no tenen parell, llavors forma tants enllaços com electrons no aparellats. Segons els conceptes moderns, la valència dels àtoms dels elements químics és la capacitat de formar un cert nombre d'enllaços covalents. Per exemple, en una molècula de sulfur d'hidrogen H2S, el sofre adquireix valència II (–), ja que cada àtom participa en la formació de dos parells d'electrons. El signe “–” indica l'atracció d'un parell d'electrons cap a un element més electronegatiu. Per a un de menys electronegatiu, s'afegeix "+" al valor de valència.
Amb el mecanisme donant-acceptador, els parells d'electrons d'un element i els orbitals de valència lliure d'un altre element participen en el procés.
Dependència de la valència de l'estructura de l'àtom
Vegem l'exemple del carboni i l'oxigen, com la valència dels elements químics depèn de l'estructura de la substància. La taula periòdica dóna una idea de les principals característiques de l'àtom de carboni:
- signe químic - C;
- número d'element - 6;
- càrrec bàsic - +6;
- protons al nucli - 6;
- electrons: 6, inclosos 4 externs, dels quals 2 formen un parell, 2 no estan aparellats.
Si un àtom de carboni en monòxid de CO forma dos enllaços, només s'utilitzen 6 partícules negatives. Per adquirir un octet, cal que els parells formin 4 partícules negatives externes. El carboni té valència IV (+) en el diòxid i IV (–) en metà.
El nombre ordinal d'oxigen és 8, la capa de valència consta de sis electrons, 2 d'ells no formen parells i participen en l'enllaç químic i la interacció amb altres àtoms. Una valència típica de l'oxigen és II (–).
València i estat d'oxidació
En molts casos és més convenient utilitzar el concepte d'"estat d'oxidació". Aquest és el nom que rep la càrrega d'un àtom que adquiriria si tots els electrons d'enllaç fossin transferits a un element que tingui un valor d'electronegativitat (EO) més elevat. El nombre d'oxidació en una substància simple észero. El signe “–” s'afegeix a l'estat d'oxidació de l'element més EO, el signe “+” s'afegeix al menys electronegatiu. Per exemple, per als metalls dels subgrups principals, els estats d'oxidació i les càrregues d'ions són típics, iguals al número de grup amb el signe "+". En la majoria dels casos, la valència i l'estat d'oxidació dels àtoms d'un mateix compost són numèricament els mateixos. Només quan interaccionen amb àtoms més electronegatius, l'estat d'oxidació és positiu, amb elements en els quals l'EO és menor, és negatiu. El concepte de "valència" sovint s'aplica només a substàncies d'estructura molecular.
