Zināšanu līmenis par atomu un molekulu uzbūvi 19. gadsimtā neļāva izskaidrot iemeslu, kāpēc atomi veido noteiktu skaitu saišu ar citām daļiņām. Taču zinātnieku idejas apsteidza savu laiku, un valence joprojām tiek pētīta kā viens no ķīmijas pamatprincipiem.
No jēdziena "ķīmisko elementu valence" vēstures
Izcilais 19. gadsimta angļu ķīmiķis Edvards Franklends zinātniskā lietojumā ieviesa terminu "saite", lai aprakstītu atomu savstarpējās mijiedarbības procesu. Zinātnieks pamanīja, ka daži ķīmiskie elementi veido savienojumus ar tādu pašu skaitu citu atomu. Piemēram, slāpeklis piesaista trīs ūdeņraža atomus amonjaka molekulā.
1852. gada maijā Franklends izvirzīja hipotēzi, ka pastāv noteikts ķīmisko saišu skaits, ko atoms var veidot ar citām sīkām matērijas daļiņām. Frenlends izmantoja frāzi "savienojošais spēks", lai aprakstītu to, ko vēlāk sauca par valenci. Britu ķīmiķis noteica, cik daudzķīmiskās saites veido atsevišķu elementu atomus, kas zināmi 19. gadsimta vidū. Franklanda darbs bija nozīmīgs ieguldījums mūsdienu strukturālajā ķīmijā.
Attieksmes attīstīšana
Vācu ķīmiķis F. A. Kekule 1857. gadā pierādīja, ka ogleklis ir tetrabāzisks. Vienkāršākajā savienojumā - metānā - ir saites ar 4 ūdeņraža atomiem. Zinātnieks lietoja terminu "bāziskums", lai apzīmētu elementu īpašību piesaistīt stingri noteiktu skaitu citu daļiņu. Krievijā datus par matērijas uzbūvi sistematizēja A. M. Butlerovs (1861). Ķīmiskās saites teorija tika tālāk attīstīta, pateicoties doktrīnai par periodiskām elementu īpašību izmaiņām. Tās autors ir cits izcils krievu ķīmiķis D. I. Mendeļejevs. Viņš pierādīja, ka ķīmisko elementu valence savienojumos un citās īpašībās ir saistīta ar stāvokli, ko tie ieņem periodiskajā sistēmā.
Valences un ķīmiskās saites grafisks attēlojums
Molekulu vizuālā attēlojuma iespēja ir viena no neapšaubāmām valences teorijas priekšrocībām. Pirmie modeļi parādījās 1860. gados, un kopš 1864. gada tiek izmantotas strukturālās formulas, kas ir apļi ar ķīmisku zīmi iekšpusē. Starp atomu simboliem domuzīme norāda ķīmisko saiti, un šo līniju skaits ir vienāds ar valences vērtību. Tajos pašos gados tapa pirmie lodīšu un nūju modeļi (skat. foto pa kreisi). 1866. gadā Kekule ierosināja atoma stereoķīmisko zīmējumu.ogleklis tetraedra formā, ko viņš iekļāva savā mācību grāmatā Organiskā ķīmija.
Ķīmisko elementu valenci un saišu rašanos pētīja G. Lūiss, kurš savus darbus publicēja 1923. gadā pēc elektrona atklāšanas. Tas ir mazāko negatīvi lādēto daļiņu nosaukums, kas ir daļa no atomu apvalkiem. Savā grāmatā Lūiss izmantoja punktus ap četrām ķīmiskā elementa simbola malām, lai attēlotu valences elektronus.
Ūdeņraža un skābekļa valence
Pirms periodiskās sistēmas izveides ķīmisko elementu valence savienojumos parasti tika salīdzināta ar tiem atomiem, kuriem tā ir zināma. Ūdeņradis un skābeklis tika izvēlēti kā standarti. Cits ķīmiskais elements piesaistīja vai aizstāja noteiktu skaitu H un O atomu.
Šādā veidā tika noteiktas īpašības savienojumiem ar vienvērtīgu ūdeņradi (otrā elementa valence ir norādīta ar romiešu cipariem):
- HCl - hlors (I):
- H2O - skābeklis (II);
- NH3 - slāpeklis (III);
- CH4 - ogleklis (IV).
Oksīdos K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 noteica metālu un nemetālu skābekļa valenci, dubultojot pievienoto O atomu skaitu. Tika iegūtas šādas vērtības: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Kā noteikt ķīmisko elementu valenci
Ir likumsakarības ķīmiskās saites veidošanā, iesaistot kopējo elektroniskopāri:
- Tipiskā ūdeņraža valence ir I.
- Parastā skābekļa valence - II.
- Nemetāla elementiem zemāko valenci var noteikt pēc formulas 8 - tās grupas numurs, kurā tie atrodas periodiskajā sistēmā. Augstāko, ja iespējams, nosaka grupas numurs.
- Sekundāro apakšgrupu elementiem maksimālā iespējamā valence ir tāda pati kā to grupas numurs periodiskajā tabulā.
Ķīmisko elementu valences noteikšana pēc savienojuma formulas tiek veikta, izmantojot šādu algoritmu:
- Uzrakstiet zināmo vērtību vienam no elementiem virs ķīmiskās zīmes. Piemēram, Mn2O7 skābekļa valence ir II.
- Aprēķiniet kopējo vērtību, kurai jāreizina valence ar viena un tā paša ķīmiskā elementa atomu skaitu molekulā: 27=14.
- Nosakiet otrā elementa valenci, kuram tas nav zināms. Sadaliet 2. solī iegūto vērtību ar Mn atomu skaitu molekulā.
- 14: 2=7. Mangāna valence tā augstākajā oksīdā ir VII.
Pastāvīga un mainīga valence
Ūdeņraža un skābekļa valences vērtības ir atšķirīgas. Piemēram, sērs savienojumā H2S ir divvērtīgs, un formulā SO3 tas ir sešvērtīgs. Ogleklis ar skābekli veido monoksīdu CO un dioksīdu CO2. Pirmajā savienojumā C valence ir II, bet otrajā - IV. Tāda pati vērtība metānā CH4.
Lielākā daļaelementiem nav nemainīga, bet mainīga valence, piemēram, fosfors, slāpeklis, sērs. Meklējot šīs parādības galvenos cēloņus, radās ķīmisko saišu teorijas, idejas par elektronu valences apvalku un molekulārām orbitālēm. Vienas un tās pašas īpašības dažādu vērtību esamība tika izskaidrota no atomu un molekulu struktūras viedokļa.
Mūsdienu idejas par valenci
Visi atomi sastāv no pozitīva kodola, ko ieskauj negatīvi lādēti elektroni. To veidotais ārējais apvalks ir nepabeigts. Pabeigtā struktūra ir visstabilākā, kas satur 8 elektronus (oktetu). Ķīmiskās saites rašanās kopīgu elektronu pāru dēļ noved pie enerģētiski labvēlīga atomu stāvokļa.
Savienojumu veidošanās noteikums ir čaulas pabeigšana, pieņemot elektronus vai atdodot nesapārotos - atkarībā no tā, kurš process ir vieglāks. Ja atoms nodrošina ķīmiskās saites negatīvu daļiņu veidošanos, kurām nav pāra, tad tas veido tik daudz saišu, cik tam ir nepāra elektroni. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām ķīmisko elementu atomu valence ir spēja veidot noteiktu skaitu kovalento saišu. Piemēram, sērūdeņraža molekulā H2S sērs iegūst II valenci (–), jo katrs atoms piedalās divu elektronu pāru veidošanā. Zīme “–” norāda uz elektronu pāra piesaisti vairāk elektronegatīvam elementam. Mazāk elektronnegatīvam valences vērtībai tiek pievienots “+”.
Ar donora-akceptora mehānismu procesā piedalās viena elementa elektronu pāri un cita elementa brīvās valences orbitāles.
Valences atkarība no atoma struktūras
Apskatīsim oglekļa un skābekļa piemēru, kā ķīmisko elementu valence ir atkarīga no vielas struktūras. Periodiskā tabula sniedz priekšstatu par oglekļa atoma galvenajām īpašībām:
- ķīmiskā zīme - C;
- elementa numurs - 6;
- pamatmaksa - +6;
- protoni kodolā - 6;
- elektroni - 6, tostarp 4 ārējie, no kuriem 2 veido pāri, 2 ir nesapāroti.
Ja oglekļa atoms CO monoksīdā veido divas saites, tad to izmanto tikai 6 negatīvās daļiņas. Lai iegūtu oktetu, ir nepieciešams, lai pāri veidotu 4 ārējās negatīvās daļiņas. Oglekļa valence ir IV (+) dioksīdā un IV (–) metānā.
Skābekļa kārtas skaitlis ir 8, valences apvalks sastāv no sešiem elektroniem, 2 no tiem neveido pārus un piedalās ķīmiskajā saitē un mijiedarbībā ar citiem atomiem. Tipiska skābekļa valence ir II (–).
Valence un oksidācijas stāvoklis
Daudzos gadījumos ērtāk ir lietot jēdzienu "oksidācijas stāvoklis". Tas ir nosaukums, kas dots atoma lādiņam, ko tas iegūtu, ja visi savienojošie elektroni tiktu pārnesti uz elementu, kuram ir augstāka elektronegativitātes (EO) vērtība. Oksidācijas skaitlis vienkāršā vielā irnulle. Vairāk EO elementa oksidācijas pakāpei pievieno zīmi “–”, mazāk elektronegatīvajam – zīmi “+”. Piemēram, galveno apakšgrupu metāliem ir raksturīgi oksidācijas stāvokļi un jonu lādiņi, kas vienādi ar grupas numuru ar “+” zīmi. Vairumā gadījumu viena savienojuma atomu valence un oksidācijas pakāpe ir skaitliski vienādi. Tikai mijiedarbojoties ar vairāk elektronegatīviem atomiem, oksidācijas pakāpe ir pozitīva, ar elementiem, kuros EO ir zemāks, tas ir negatīvs. Jēdziens "valence" bieži tiek attiecināts tikai uz vielām ar molekulāro struktūru.
