Der Kenntnisstand über die Struktur von Atomen und Molekülen im 19. Jahrhundert erlaubte es nicht zu erklären, warum Atome eine bestimmte Anzahl von Bindungen mit anderen Teilchen eingehen. Aber die Ideen der Wissenschaftler waren ihrer Zeit voraus, und die Wertigkeit wird immer noch als eines der Grundprinzipien der Chemie untersucht.
Aus der Geschichte des Begriffs "Valenz chemischer Elemente"
Der herausragende englische Chemiker des 19. Jahrhunderts, Edward Frankland, führte den Begriff "Bindung" in den wissenschaftlichen Gebrauch ein, um den Prozess der Wechselwirkung von Atomen miteinander zu beschreiben. Der Wissenschaftler bemerkte, dass einige chemische Elemente mit der gleichen Anzahl anderer Atome Verbindungen eingehen. Zum Beispiel bindet Stickstoff drei Wasserstoffatome im Ammoniakmolekül an.
Im Mai 1852 stellte Frankland die Hypothese auf, dass es eine bestimmte Anzahl chemischer Bindungen gibt, die ein Atom mit anderen winzigen Materieteilchen eingehen kann. Frankland verwendete den Ausdruck „Verbindungskraft“, um zu beschreiben, was später Valenz genannt wurde. Wie viel, ermittelte der britische Chemikerchemische Bindungen bilden Atome einzelner Elemente, die Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt waren. Franklands Arbeit war ein wichtiger Beitrag zur modernen Strukturchemie.
Einstellungen entwickeln
deutscher Chemiker F. A. Kekule bewies 1857, dass Kohlenstoff ein vierbasiger ist. In seiner einfachsten Verbindung - Methan - gibt es Bindungen mit 4 Wasserstoffatomen. Mit dem Begriff „Basizität“bezeichnete der Wissenschaftler die Eigenschaft von Elementen, eine genau definierte Anzahl anderer Teilchen anzulagern. In Russland wurden Daten zur Struktur der Materie von A. M. Butlerov (1861) systematisiert. Die Theorie der chemischen Bindung wurde durch die Lehre von der periodischen Änderung der Eigenschaften der Elemente weiterentwickelt. Sein Autor ist ein weiterer herausragender russischer Chemiker, D. I. Mendeleev. Er bewies, dass die Wertigkeit chemischer Elemente in Verbindungen und andere Eigenschaften von der Position abhängen, die sie im Periodensystem einnehmen.
Grafische Darstellung von Wertigkeit und chemischer Bindung
Die Möglichkeit einer visuellen Darstellung von Molekülen ist einer der unbestrittenen Vorteile der Wertigkeitstheorie. Die ersten Modelle erschienen in den 1860er Jahren, und seit 1864 werden Strukturformeln verwendet, die Kreise mit einem chemischen Zeichen darin sind. Zwischen den Atomsymbolen zeigt ein Strich eine chemische Bindung an, und die Anzahl dieser Linien entspricht dem Wert der Wertigkeit. In den gleichen Jahren entstanden die ersten Kugel-Stab-Modelle (siehe Foto links). 1866 schlug Kekule eine stereochemische Zeichnung des Atoms vor. Kohlenstoff in Form eines Tetraeders, den er in sein Lehrbuch Organische Chemie aufgenommen hat.
Die Wertigkeit chemischer Elemente und die Entstehung von Bindungen wurden von G. Lewis untersucht, der seine Arbeiten 1923 nach der Entdeckung des Elektrons veröffentlichte. So heißen die kleinsten negativ geladenen Teilchen, die Teil der Hüllen von Atomen sind. In seinem Buch verwendete Lewis die Punkte um die vier Seiten des chemischen Elementsymbols, um Valenzelektronen darzustellen.
Wertigkeit von Wasserstoff und Sauerstoff
Vor der Entstehung des Periodensystems wurde die Wertigkeit chemischer Elemente in Verbindungen üblicherweise mit jenen Atomen verglichen, für die sie bekannt ist. Als Standards wurden Wasserstoff und Sauerstoff gewählt. Ein anderes chemisches Element hat eine bestimmte Anzahl von H- und O-Atomen angezogen oder ersetzt.
Auf diese Weise wurden Eigenschaften in Verbindungen mit einwertigem Wasserstoff bestimmt (die Wertigkeit des zweiten Elements wird durch eine römische Zahl angegeben):
- HCl - Chlor (I):
- H2O - Sauerstoff (II);
- NH3 - Stickstoff (III);
- CH4 - Kohlenstoff (IV).
In Oxiden K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 ermittelte die Sauerstoffwertigkeit von Metallen und Nichtmetallen durch Verdoppelung der Zahl der angelagerten O-Atome, wobei sich folgende Werte ergaben: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Wie man die Wertigkeit chemischer Elemente bestimmt
Es gibt Regelmäßigkeiten bei der Bildung einer chemischen Bindung, an der eine gemeinsame Elektronik beteiligt istPaare:
- Typische Wasserstoffwertigkeit ist I.
- Übliche Sauerstoffwertigkeit - II.
- Für nichtmetallische Elemente kann die niedrigste Wertigkeit durch die Formel 8 bestimmt werden - die Nummer der Gruppe, in der sie sich im Periodensystem befinden. Die höchste wird, wenn möglich, durch die Gruppennummer bestimmt.
- Bei Elementen sekundärer Nebengruppen ist die maximal mögliche Wertigkeit gleich ihrer Gruppennummer im Periodensystem.
Die Bestimmung der Wertigkeit chemischer Elemente gemäß der Formel der Verbindung erfolgt nach folgendem Algorithmus:
- Schreibe den bekannten Wert für eines der Elemente über das chemische Zeichen. Beispielsweise ist in Mn2O7 die Sauerstoffwertigkeit II.
- Berechnen Sie den Gesamtwert, für den Sie die Wertigkeit mit der Anzahl der Atome desselben chemischen Elements im Molekül multiplizieren müssen: 27=14.
- Bestimme die Wertigkeit des zweiten unbekannten Elements. Teilen Sie den in Schritt 2 erh altenen Wert durch die Anzahl der Mn-Atome im Molekül.
- 14: 2=7. Die Wertigkeit von Mangan in seinem höheren Oxid ist VII.
Konstante und variable Wertigkeit
Valenzwerte für Wasserstoff und Sauerstoff sind unterschiedlich. Zum Beispiel ist Schwefel in der Verbindung H2S zweiwertig und in der Formel SO3 sechswertig. Kohlenstoff bildet mit Sauerstoff Kohlenmonoxid CO und Kohlendioxid CO2. In der ersten Verbindung ist die Wertigkeit von C II und in der zweiten IV. Gleicher Wert in Methan CH4.
Die meistenElemente weisen keine konstante, sondern eine variable Wertigkeit auf, z. B. Phosphor, Stickstoff, Schwefel. Die Suche nach den Hauptursachen dieses Phänomens führte zur Entstehung chemischer Bindungstheorien, Vorstellungen über die Valenzschale von Elektronen und Molekülorbitalen. Die Existenz verschiedener Werte derselben Eigenschaft wurde vom Standpunkt der Struktur von Atomen und Molekülen erklärt.
Moderne Vorstellungen von Valenz
Alle Atome bestehen aus einem positiven Kern, der von negativ geladenen Elektronen umgeben ist. Die äußere Hülle, die sie bilden, ist unfertig. Die fertige Struktur ist die stabilste und enthält 8 Elektronen (ein Oktett). Die Entstehung einer chemischen Bindung aufgrund gemeinsamer Elektronenpaare führt zu einem energetisch günstigen Atomzustand.
Die Regel für die Bildung von Verbindungen ist die Vervollständigung der Hülle durch Aufnahme von Elektronen oder Abgabe ungepaarter - je nachdem, welcher Vorgang einfacher ist. Wenn ein Atom zur Bildung einer chemischen Bindung negative Teilchen bereitstellt, die kein Paar haben, dann bildet es so viele Bindungen aus, wie es ungepaarte Elektronen hat. Nach modernen Konzepten ist die Wertigkeit von Atomen chemischer Elemente die Fähigkeit, eine bestimmte Anzahl kovalenter Bindungen zu bilden. Beispielsweise erhält Schwefel in einem Schwefelwasserstoffmolekül H2S die Valenz II (–), da jedes Atom an der Bildung von zwei Elektronenpaaren beteiligt ist. Das „–“-Zeichen zeigt die Anziehung eines Elektronenpaares zu einem elektronegativeren Element an. Bei einem weniger elektronegativen Wert wird ein „+“an den Wertigkeitswert angehängt.
Beim Donor-Akzeptor-Mechanismus sind Elektronenpaare eines Elements und freie Valenzorbitale eines anderen Elements am Prozess beteiligt.
Abhängigkeit der Wertigkeit von der Struktur des Atoms
Schauen wir uns am Beispiel von Kohlenstoff und Sauerstoff an, wie die Wertigkeit chemischer Elemente von der Struktur der Substanz abhängt. Das Periodensystem gibt eine Vorstellung von den Hauptmerkmalen des Kohlenstoffatoms:
- chemisches Zeichen - C;
- Elementnummer - 6;
- Kernladung - +6;
- Protonen im Kern - 6;
- Elektronen - 6, darunter 4 externe, von denen 2 ein Paar bilden, 2 ungepaart sind.
Wenn ein Kohlenstoffatom im CO-Monoxid zwei Bindungen eingeht, dann kommen nur 6 negative Teilchen zu seiner Verwendung. Um ein Oktett zu erh alten, müssen die Paare 4 äußere negative Teilchen bilden. Kohlenstoff hat die Wertigkeit IV (+) in Dioxid und IV (–) in Methan.
Die Ordnungszahl von Sauerstoff ist 8, die Valenzschale besteht aus sechs Elektronen, von denen 2 keine Paare bilden und an der chemischen Bindung und Wechselwirkung mit anderen Atomen teilnehmen. Eine typische Sauerstoffwertigkeit ist II (–).
Wertigkeit und Oxidationsstufe
In vielen Fällen ist es bequemer, das Konzept des "Oxidationszustands" zu verwenden. So wird die Ladung eines Atoms bezeichnet, die es erh alten würde, wenn alle Bindungselektronen auf ein Element mit einem höheren Elektronegativitätswert (EO) übertragen würden. Die Oxidationszahl in einer einfachen Substanz istNull. Das „–“-Zeichen wird der Oxidationsstufe des stärker EO-Elements hinzugefügt, das „+“-Zeichen wird der weniger elektronegativen hinzugefügt. Beispielsweise sind für Metalle der Hauptnebengruppen Oxidationsstufen und Ionenladungen typisch, gleich der Gruppennummer mit „+“-Zeichen. In den meisten Fällen sind die Wertigkeit und die Oxidationsstufe von Atomen in derselben Verbindung numerisch gleich. Nur bei Wechselwirkung mit elektronegativeren Atomen ist die Oxidationsstufe positiv, bei Elementen, bei denen das EO niedriger ist, ist sie negativ. Der Begriff „Valenz“wird oft nur auf Substanzen mit molekularer Struktur angewendet.
