Úroveň znalostí o struktuře atomů a molekul v 19. století neumožňovala vysvětlit důvod, proč atomy tvoří určitý počet vazeb s jinými částicemi. Ale myšlenky vědců předběhly svou dobu a valence je stále studována jako jeden ze základních principů chemie.
Z historie pojmu „valence chemických prvků“
Vynikající anglický chemik 19. století Edward Frankland zavedl termín „vazba“do vědeckého použití k popisu procesu vzájemného působení atomů. Vědec si všiml, že některé chemické prvky tvoří sloučeniny se stejným počtem jiných atomů. Například dusík váže tři atomy vodíku v molekule amoniaku.
V květnu 1852 Frankland předpokládal, že existuje určitý počet chemických vazeb, které by atom mohl vytvořit s jinými drobnými částicemi hmoty. Frankland použil frázi „spojovací síla“k popisu toho, co by se později nazývalo valence. Britský chemik určil kolikchemické vazby tvoří atomy jednotlivých prvků známé v polovině 19. stol. Franklandova práce byla důležitým příspěvkem k moderní strukturní chemii.
Rozvíjení postojů
Německý chemik F. A. Kekule v roce 1857 dokázal, že uhlík je čtyřsytný. V jeho nejjednodušší sloučenině – metanu – jsou vazby se 4 atomy vodíku. Vědec použil termín „bazičnost“k označení vlastnosti prvků připojovat přísně definovaný počet dalších částic. V Rusku údaje o struktuře hmoty systematizoval A. M. Butlerov (1861). Teorie chemické vazby se dále rozvíjela díky nauce o periodické změně vlastností prvků. Jeho autorem je další vynikající ruský chemik D. I. Mendělejev. Dokázal, že mocnost chemických prvků ve sloučeninách a další vlastnosti jsou způsobeny pozicí, kterou zaujímají v periodickém systému.
Grafické znázornění valence a chemické vazby
Možnost vizuální reprezentace molekul je jednou z nepochybných výhod teorie valence. První modely se objevily v 60. letech 19. století a od roku 1864 se používají strukturní vzorce, což jsou kruhy s chemickým znakem uvnitř. Mezi symboly atomů pomlčka označuje chemickou vazbu a počet těchto řádků se rovná hodnotě valence. Ve stejných letech byly vyrobeny první modely s koulí a tyčí (viz foto vlevo). V roce 1866 Kekule navrhl stereochemický nákres atomu.uhlík ve formě čtyřstěnu, který zahrnul do své učebnice Organická chemie.
Valenci chemických prvků a vznik vazeb studoval G. Lewis, který publikoval své práce v roce 1923 po objevu elektronu. Tak se nazývají nejmenší záporně nabité částice, které jsou součástí obalů atomů. Lewis ve své knize použil tečky kolem čtyř stran symbolu chemického prvku k reprezentaci valenčních elektronů.
Valence pro vodík a kyslík
Před vytvořením periodického systému byla valence chemických prvků ve sloučeninách obvykle srovnávána s těmi atomy, pro které je známá. Jako standardy byly zvoleny vodík a kyslík. Jiný chemický prvek přitáhl nebo nahradil určitý počet atomů H a O.
Tímto způsobem byly určeny vlastnosti sloučenin s jednomocným vodíkem (valence druhého prvku je označena římskou číslicí):
- HCl - chlor (I):
- H2O - kyslík (II);
- NH3 - dusík (III);
- CH4 – uhlík (IV).
V oxidech K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 určilo mocenství kyslíku kovů a nekovů zdvojnásobením počtu přidaných atomů O. Byly získány následující hodnoty: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Jak určit mocenství chemických prvků
V tvorbě chemické vazby zahrnující běžnou elektroniku existují zákonitostipáry:
- Typická vodíková mocenství je I.
- Obvyklá valence kyslíku - II.
- U nekovových prvků lze nejnižší valenci určit vzorcem 8 - číslem skupiny, ve které se nacházejí v periodické soustavě. Nejvyšší, pokud je to možné, je určeno číslem skupiny.
- U prvků sekundárních podskupin je maximální možná valence stejná jako jejich číslo skupiny v periodické tabulce.
Určení valence chemických prvků podle vzorce sloučeniny se provádí pomocí následujícího algoritmu:
- Napište známou hodnotu jednoho z prvků nad chemický znak. Například v Mn2O7 je valence kyslíku II.
- Vypočítejte celkovou hodnotu, pro kterou musíte vynásobit valenci počtem atomů stejného chemického prvku v molekule: 27=14.
- Určete valenci druhého prvku, pro který není znám. Vydělte hodnotu získanou v kroku 2 počtem atomů Mn v molekule.
- 14: 2=7. Valence manganu v jeho vyšším oxidu je VII.
Konstantní a proměnná valence
Hodnoty valence pro vodík a kyslík se liší. Například síra ve sloučenině H2S je dvojmocná a ve vzorci SO3 je šestimocná. Uhlík tvoří s kyslíkem oxid uhelnatý CO a oxid CO2. V první sloučenině je valence C II a ve druhé sloučenině IV. Stejná hodnota v metanu CH4.
Většinaprvky nevykazují konstantní, ale proměnnou valenci, například fosfor, dusík, síra. Hledání hlavních příčin tohoto jevu vedlo ke vzniku teorií chemických vazeb, představ o valenčním obalu elektronů a molekulových orbitalech. Existence různých hodnot stejné vlastnosti byla vysvětlena z hlediska struktury atomů a molekul.
Moderní představy o valenci
Všechny atomy se skládají z kladného jádra obklopeného záporně nabitými elektrony. Vnější plášť, který tvoří, je nedokončený. Dokončená struktura je nejstabilnější, obsahuje 8 elektronů (oktet). Vznik chemické vazby díky společným elektronovým párům vede k energeticky příznivému stavu atomů.
Pravidlem pro tvorbu sloučenin je dokončení obalu přijetím elektronů nebo rozdáním nepárových - podle toho, který proces je jednodušší. Pokud atom zajišťuje vytvoření chemické vazby negativních částic, které nemají pár, pak tvoří tolik vazeb, kolik má nepárových elektronů. Podle moderních koncepcí je valence atomů chemických prvků schopnost tvořit určitý počet kovalentních vazeb. Například v molekule sirovodíku H2S získává síra valenci II (–), protože každý atom se účastní tvorby dvou elektronových párů. Znak „–“označuje přitažlivost elektronového páru k elektronegativnějšímu prvku. U méně elektronegativní hodnoty se k hodnotě valence přičte „+“.
S mechanismem donor-akceptor se procesu účastní elektronové páry jednoho prvku a volné valenční orbitaly jiného prvku.
Závislost valence na struktuře atomu
Podívejme se na příkladu uhlíku a kyslíku, jak mocnost chemických prvků závisí na struktuře látky. Periodická tabulka dává představu o hlavních charakteristikách atomu uhlíku:
- chemický znak - C;
- číslo prvku - 6;
- nabití jádra – +6;
- protony v jádře - 6;
- elektrony - 6, včetně 4 externích, z nichž 2 tvoří pár, 2 jsou nepárové.
Pokud atom uhlíku v oxidu uhelnatém tvoří dvě vazby, použije se pouze 6 negativních částic. Pro získání oktetu je nutné, aby dvojice vytvořily 4 vnější negativní částice. Uhlík má valenci IV (+) v oxidu a IV (–) v metanu.
Pořadové číslo kyslíku je 8, valenční obal se skládá ze šesti elektronů, 2 z nich netvoří páry a účastní se chemické vazby a interakce s jinými atomy. Typická kyslíková valence je II (–).
Valence a oxidační stav
V mnoha případech je vhodnější použít pojem „oxidační stav“. Toto je název pro náboj atomu, který by získal, kdyby všechny vazebné elektrony byly přeneseny na prvek, který má vyšší hodnotu elektronegativity (EO). Oxidační číslo v jednoduché látce jenula. Znaménko „–“se přidává k oxidačnímu stavu prvku s vyšším obsahem EO, znaménko „+“k méně elektronegativnímu. Například pro kovy hlavních podskupin jsou typické oxidační stavy a iontové náboje rovnající se číslu skupiny se znaménkem „+“. Ve většině případů jsou valence a oxidační stav atomů ve stejné sloučenině číselně stejné. Pouze při interakci s více elektronegativními atomy je oxidační stav kladný, u prvků, ve kterých je EO nižší, je záporný. Pojem „valence“je často aplikován pouze na látky molekulární struktury.
