O nível de conhecimento sobre a estrutura dos átomos e moléculas no século XIX não permitia explicar a razão pela qual os átomos formam um certo número de ligações com outras partículas. Mas as ideias dos cientistas estavam à frente de seu tempo e a valência ainda está sendo estudada como um dos princípios básicos da química.
Da história do conceito de "valência dos elementos químicos"
O notável químico inglês do século XIX, Edward Frankland, introduziu o termo "ligação" em uso científico para descrever o processo de interação dos átomos entre si. O cientista notou que alguns elementos químicos formam compostos com o mesmo número de outros átomos. Por exemplo, o nitrogênio liga três átomos de hidrogênio na molécula de amônia.
Em maio de 1852, Frankland levantou a hipótese de que havia um número específico de ligações químicas que um átomo poderia formar com outras partículas minúsculas de matéria. Frankland usou a frase "força de conexão" para descrever o que mais tarde seria chamado de valência. O químico britânico determinou quantoligações químicas formam átomos de elementos individuais conhecidos em meados do século XIX. O trabalho de Frankland foi uma importante contribuição para a química estrutural moderna.
Desenvolvendo atitudes
Químico alemão F. A. Kekule provou em 1857 que o carbono é tetrabásico. Em seu composto mais simples - metano - existem ligações com 4 átomos de hidrogênio. O cientista usou o termo "basicidade" para denotar a propriedade dos elementos de anexar um número estritamente definido de outras partículas. Na Rússia, os dados sobre a estrutura da matéria foram sistematizados por A. M. Butlerov (1861). A teoria da ligação química recebeu mais desenvolvimento graças à doutrina da mudança periódica nas propriedades dos elementos. Seu autor é outro notável químico russo, D. I. Mendeleev. Ele provou que a valência de elementos químicos em compostos e outras propriedades se deve à posição que ocupam no sistema periódico.
Representação gráfica de valência e ligação química
A possibilidade de representação visual de moléculas é uma das vantagens indiscutíveis da teoria da valência. Os primeiros modelos surgiram na década de 1860, e desde 1864 são utilizadas fórmulas estruturais, que são círculos com um sinal químico dentro. Entre os símbolos dos átomos, um traço indica uma ligação química, e o número dessas linhas é igual ao valor da valência. Nos mesmos anos, foram feitos os primeiros modelos de bola e vareta (ver foto à esquerda). Em 1866, Kekule propôs um desenho estereoquímico do átomo.carbono na forma de um tetraedro, que ele incluiu em seu livro de Química Orgânica.
A valência dos elementos químicos e o surgimento de ligações foi estudada por G. Lewis, que publicou seus trabalhos em 1923 após a descoberta do elétron. Este é o nome das menores partículas carregadas negativamente que fazem parte das conchas dos átomos. Em seu livro, Lewis usou os pontos ao redor dos quatro lados do símbolo do elemento químico para representar os elétrons de valência.
Valência para hidrogênio e oxigênio
Antes da criação do sistema periódico, a valência dos elementos químicos nos compostos era geralmente comparada com os átomos pelos quais é conhecida. Hidrogênio e oxigênio foram escolhidos como padrões. Outro elemento químico atraiu ou substituiu um certo número de átomos de H e O.
Desta forma, as propriedades foram determinadas em compostos com hidrogênio monovalente (a valência do segundo elemento é indicada por um algarismo romano):
- HCl - cloro (I):
- H2O - oxigênio (II);
- NH3 - nitrogênio (III);
- CH4 - carbono (IV).
Em óxidos K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 determinou a valência de oxigênio de metais e não metais dobrando o número de átomos de O adicionados. Os seguintes valores foram obtidos: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Como determinar a valência de elementos químicos
Existem regularidades na formação de uma ligação química envolvendocasais:
- A valência típica do hidrogênio é I.
- Valência usual de oxigênio - II.
- Para elementos não metálicos, a valência mais baixa pode ser determinada pela fórmula 8 - o número do grupo em que estão localizados no sistema periódico. O mais alto, se possível, é determinado pelo número do grupo.
- Para elementos de subgrupos secundários, a valência máxima possível é igual ao número do grupo na tabela periódica.
A determinação da valência dos elementos químicos de acordo com a fórmula do composto é realizada usando o seguinte algoritmo:
- Escreva o valor conhecido para um dos elementos acima do sinal químico. Por exemplo, em Mn2O7 a valência do oxigênio é II.
- Calcule o valor total, para o qual você precisa multiplicar a valência pelo número de átomos do mesmo elemento químico na molécula: 27=14.
- Determine a valência do segundo elemento para o qual é desconhecido. Divida o valor obtido na etapa 2 pelo número de átomos de Mn na molécula.
- 14: 2=7. A valência do manganês em seu óxido superior é VII.
Valência constante e variável
Valências de hidrogênio e oxigênio são diferentes. Por exemplo, o enxofre no composto H2S é bivalente e na fórmula SO3 é hexavalente. O carbono forma monóxido CO e dióxido CO2 com oxigênio. No primeiro composto, a valência de C é II, e no segundo, IV. Mesmo valor em metano CH4.
A maioriaelementos não exibe uma valência constante, mas variável, por exemplo, fósforo, nitrogênio, enxofre. A busca pelas principais causas desse fenômeno levou ao surgimento de teorias de ligações químicas, ideias sobre a camada de valência dos elétrons e orbitais moleculares. A existência de diferentes valores de uma mesma propriedade foi explicada do ponto de vista da estrutura de átomos e moléculas.
Idéias modernas sobre valência
Todos os átomos consistem em um núcleo positivo cercado por elétrons carregados negativamente. A casca externa que eles formam está inacabada. A estrutura completa é a mais estável, contendo 8 elétrons (um octeto). O surgimento de uma ligação química devido a pares de elétrons comuns leva a um estado energeticamente favorável dos átomos.
A regra para a formação de compostos é completar a camada aceitando elétrons ou cedendo elétrons desemparelhados - dependendo de qual processo é mais fácil. Se um átomo prevê a formação de uma ligação química partículas negativas que não têm um par, então ele forma tantas ligações quantos os elétrons desemparelhados. De acordo com conceitos modernos, a valência dos átomos dos elementos químicos é a capacidade de formar um certo número de ligações covalentes. Por exemplo, em uma molécula de sulfeto de hidrogênio H2S, o enxofre adquire valência II (–), pois cada átomo participa da formação de dois pares de elétrons. O sinal “–” indica a atração de um par de elétrons para um elemento mais eletronegativo. Para um menos eletronegativo, “+” é adicionado ao valor de valência.
Com o mecanismo doador-aceptor, pares de elétrons de um elemento e orbitais de valência livre de outro elemento participam do processo.
Dependência da valência da estrutura do átomo
Vejamos o exemplo do carbono e do oxigênio, como a valência dos elementos químicos depende da estrutura da substância. A tabela periódica dá uma ideia das principais características do átomo de carbono:
- sinal químico - C;
- número do elemento - 6;
- carga do núcleo - +6;
- prótons no núcleo - 6;
- elétrons - 6, incluindo 4 externos, dos quais 2 formam um par, 2 não são pareados.
Se um átomo de carbono no monóxido de CO forma duas ligações, então apenas 6 partículas negativas são usadas. Para adquirir um octeto, é necessário que os pares formem 4 partículas negativas externas. O carbono tem valência IV (+) em dióxido e IV (–) em metano.
O número ordinal do oxigênio é 8, a camada de valência consiste em seis elétrons, 2 deles não formam pares e participam de ligações químicas e interação com outros átomos. Uma valência típica de oxigênio é II (–).
Valência e estado de oxidação
Em muitos casos é mais conveniente usar o conceito de "estado de oxidação". Este é o nome dado à carga de um átomo que ele adquiriria se todos os elétrons de ligação fossem transferidos para um elemento que tenha um valor mais alto de eletronegatividade (EO). O número de oxidação em uma substância simples ézero. O sinal “-” é adicionado ao estado de oxidação do elemento mais EO, o sinal “+” é adicionado ao menos eletronegativo. Por exemplo, para metais dos principais subgrupos, os estados de oxidação e as cargas iônicas são típicos, iguais ao número do grupo com um sinal “+”. Na maioria dos casos, a valência e o estado de oxidação dos átomos no mesmo composto são numericamente os mesmos. Somente ao interagir com átomos mais eletronegativos, o estado de oxidação é positivo, com elementos em que o EO é menor, é negativo. O conceito de "valência" é frequentemente aplicado apenas a substâncias de estrutura molecular.
