Ատոմների և մոլեկուլների կառուցվածքի մասին գիտելիքների մակարդակը 19-րդ դարում թույլ չէր տալիս բացատրել, թե ինչու են ատոմները որոշակի քանակությամբ կապեր ստեղծում այլ մասնիկների հետ։ Բայց գիտնականների գաղափարներն իրենց ժամանակից առաջ էին, և վալենտությունը դեռ ուսումնասիրվում է որպես քիմիայի հիմնական սկզբունքներից մեկը:
«Քիմիական տարրերի վալենտություն» հասկացության պատմությունից
19-րդ դարի նշանավոր անգլիացի քիմիկոս Էդվարդ Ֆրանկլենդը գիտական կիրառություն մտցրեց «կապ» տերմինը՝ նկարագրելու ատոմների միմյանց հետ փոխազդեցության գործընթացը: Գիտնականը նկատել է, որ որոշ քիմիական տարրեր միացություններ են կազմում նույնքան այլ ատոմների հետ։ Օրինակ՝ ամոնիակի մոլեկուլում ազոտը կապում է ջրածնի երեք ատոմ։
1852 թվականի մայիսին Ֆրենկլանդը ենթադրեց, որ գոյություն ունի որոշակի քանակությամբ քիմիական կապեր, որոնք ատոմը կարող է ձևավորել նյութի այլ մանր մասնիկների հետ: Ֆրանկլենդն օգտագործեց «կապող ուժ» արտահայտությունը՝ նկարագրելու այն, ինչը հետագայում կկոչվի վալենտություն։ Բրիտանացի քիմիկոսը որոշել է, թե որքանՔիմիական կապերը կազմում են 19-րդ դարի կեսերին հայտնի առանձին տարրերի ատոմներ։ Ֆրանկլենդի աշխատանքը կարևոր ներդրում էր ժամանակակից կառուցվածքային քիմիայում:
Վերաբերմունքների զարգացում
Գերմանացի քիմիկոս Ֆ. Ա. Կեկուլեն 1857 թվականին ապացուցեց, որ ածխածինը չորս հիմնային է: Նրա ամենապարզ միացության՝ մեթանի մեջ կան կապեր 4 ջրածնի ատոմներով։ Գիտնականն օգտագործել է «հիմնականություն» տերմինը՝ նշելու տարրերի հատկությունը՝ կցել այլ մասնիկների խիստ սահմանված քանակ։ Ռուսաստանում նյութի կառուցվածքի վերաբերյալ տվյալները համակարգվել են Ա. Մ. Բուտլերովի կողմից (1861): Քիմիական կապի տեսությունը հետագա զարգացում ստացավ տարրերի հատկությունների պարբերական փոփոխության վարդապետության շնորհիվ։ Դրա հեղինակը մեկ այլ նշանավոր ռուս քիմիկոս Դ. Ի. Մենդելեևն է: Նա ապացուցեց, որ քիմիական տարրերի վալենտությունը միացություններում և այլ հատկություններում պայմանավորված է պարբերական համակարգում նրանց զբաղեցրած դիրքով։
Վալենտական և քիմիական կապի գրաֆիկական ներկայացում
Մոլեկուլների տեսողական ներկայացման հնարավորությունը վալենտության տեսության անկասկած առավելություններից է: Առաջին մոդելները հայտնվել են 1860-ականներին, իսկ 1864 թվականից օգտագործվել են կառուցվածքային բանաձեւեր, որոնք ներսում քիմիական նշանով շրջանակներ են։ Ատոմների նշանների միջև գծիկը ցույց է տալիս քիմիական կապ, և այդ տողերի թիվը հավասար է վալենտության արժեքին: Նույն տարիներին պատրաստվեցին առաջին գնդիկավոր մոդելները (տե՛ս ձախ կողմում գտնվող լուսանկարը): 1866 թվականին Կեկուլեն առաջարկեց ատոմի ստերեոքիմիական նկարչություն։ածխածինը քառաեդրոնի տեսքով, որը նա ներառել է իր «Օրգանական քիմիա» դասագրքում։
Քիմիական տարրերի վալենտությունը և կապերի առաջացումը ուսումնասիրել է Գ. Լյուիսը, ով իր աշխատությունները հրապարակել է 1923 թվականին՝ էլեկտրոնի հայտնաբերումից հետո։ Սա ատոմների թաղանթների մաս կազմող ամենափոքր բացասական լիցքավորված մասնիկների անունն է։ Իր գրքում Լյուիսն օգտագործել է քիմիական տարրի խորհրդանիշի չորս կողմերի շուրջ կետերը՝ վալենտային էլեկտրոնները ներկայացնելու համար։
Վալենտություն ջրածնի և թթվածնի համար
Մինչ պարբերական համակարգի ստեղծումը միացություններում քիմիական տարրերի վալենտությունը սովորաբար համեմատվում էր այն ատոմների հետ, որոնցով այն հայտնի է: Որպես չափորոշիչներ ընտրվել են ջրածինը և թթվածինը։ Մեկ այլ քիմիական տարր գրավել կամ փոխարինել է որոշակի քանակությամբ H և O ատոմներ:
Այս կերպ որոշվել են հատկությունները միավալենտ ջրածնով միացություններում (երկրորդ տարրի վալենտականությունը նշվում է հռոմեական թվով).
- HCl - քլոր (I):
- H2O - թթվածին (II);
- NH3 - ազոտ (III);
- CH4 - ածխածին (IV).
Օքսիդներում K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 որոշել է մետաղների և ոչ մետաղների թթվածնի վալենտությունը՝ կրկնապատկելով ավելացված O ատոմների թիվը: Ստացվել են հետևյալ արժեքները. K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Ինչպես որոշել քիմիական տարրերի վալենտությունը
Կան օրինաչափություններ քիմիական կապի ձևավորման մեջ, որը ներառում է ընդհանուր էլեկտրոնայինզույգեր:
- Ջրածնի բնորոշ վալենտությունը I է։
- Սովորական թթվածնի վալենտություն - II.
- Ոչ մետաղական տարրերի համար ամենացածր վալենտությունը կարող է որոշվել 8-րդ բանաձևով` այն խմբի թիվը, որում դրանք գտնվում են պարբերական համակարգում: Ամենաբարձրը, հնարավորության դեպքում, որոշվում է խմբի համարով։
- Երկրորդ ենթախմբերի տարրերի համար առավելագույն հնարավոր վալենտությունը նույնն է, ինչ նրանց խմբի համարը պարբերական աղյուսակում:
Քիմիական տարրերի վալենտության որոշումը ըստ միացության բանաձևի իրականացվում է հետևյալ ալգորիթմի միջոցով.
- Գրեք քիմիական նշանի վերևում գտնվող տարրերից մեկի հայտնի արժեքը: Օրինակ, Mn2O7-ում թթվածնի վալենտությունը II է:
- Հաշվե՛ք ընդհանուր արժեքը, որի համար անհրաժեշտ է բազմապատկել վալենտությունը մոլեկուլում նույն քիմիական տարրի ատոմների թվով. 27=14։
- Որոշեք այն երկրորդ տարրի վալենտությունը, որի համար այն անհայտ է: 2-րդ քայլում ստացված արժեքը բաժանեք մոլեկուլում Mn ատոմների թվին։
- 14: 2=7: Մանգանի վալենտությունը նրա բարձր օքսիդում VII է:
Մշտական և փոփոխական վալենտություն
Ջրածնի և թթվածնի վալենտային արժեքները տարբեր են: Օրինակ՝ H2S միացության ծծումբը երկվալենտ է, իսկ SO3 բանաձևում՝ վեցավալենտ: Ածխածինը թթվածնի հետ առաջացնում է CO մոնօքսիդ և CO2 երկօքսիդ: Առաջին միացության մեջ C-ի վալենտությունը II է, իսկ երկրորդում՝ IV։ Նույն արժեքը մեթանում CH4.
Ամենատարրերը ցուցադրում են ոչ թե հաստատուն, այլ փոփոխական վալենտություն, օրինակ՝ ֆոսֆոր, ազոտ, ծծումբ։ Այս երևույթի հիմնական պատճառների որոնումը հանգեցրեց քիմիական կապերի տեսությունների, էլեկտրոնների վալենտային թաղանթի և մոլեկուլային օրբիտալների մասին գաղափարների առաջացմանը։ Նույն հատկության տարբեր արժեքների առկայությունը բացատրվել է ատոմների և մոլեկուլների կառուցվածքի տեսանկյունից:
Ժամանակակից գաղափարներ վալենտության մասին
Բոլոր ատոմները բաղկացած են դրական միջուկից, որը շրջապատված է բացասական լիցքավորված էլեկտրոններով։ Արտաքին պատյանը, որը նրանք կազմում են, անավարտ է: Ավարտված կառուցվածքը ամենակայունն է, որը պարունակում է 8 էլեկտրոն (օկտետ): Ընդհանուր էլեկտրոնային զույգերի պատճառով քիմիական կապի առաջացումը հանգեցնում է ատոմների էներգետիկ բարենպաստ վիճակի։
Միացությունների առաջացման կանոնը թաղանթի ավարտումն է՝ ընդունելով էլեկտրոններ կամ տալով չզույգվածները՝ կախված նրանից, թե որ գործընթացն է ավելի հեշտ: Եթե ատոմը նախատեսում է քիմիական կապի բացասական մասնիկների առաջացում, որոնք չունեն զույգ, ապա այն ձևավորում է այնքան կապ, որքան ունի չզույգված էլեկտրոններ։ Ժամանակակից հասկացությունների համաձայն՝ քիմիական տարրերի ատոմների վալենտությունը որոշակի թվով կովալենտային կապեր ձևավորելու ունակություն է։ Օրինակ՝ H2S ջրածնի սուլֆիդի մոլեկուլում ծծումբը ձեռք է բերում II վալենտություն (–), քանի որ յուրաքանչյուր ատոմ մասնակցում է երկու էլեկտրոնային զույգերի ձևավորմանը։ «–» նշանը ցույց է տալիս էլեկտրոնային զույգի ձգումը դեպի ավելի էլեկտրաբացասական տարր: Ավելի քիչ էլեկտրաբացասականի համար «+» ավելացվում է վալենտային արժեքին:
Դոնոր-ընդունիչ մեխանիզմով գործընթացին մասնակցում են մի տարրի էլեկտրոնային զույգերը և մեկ այլ տարրի ազատ վալենտային ուղեծրերը։
Վալենտության կախվածությունը ատոմի կառուցվածքից
Դիտարկենք ածխածնի և թթվածնի օրինակը, թե ինչպես է քիմիական տարրերի վալենտությունը կախված նյութի կառուցվածքից։ Պարբերական աղյուսակը պատկերացում է տալիս ածխածնի ատոմի հիմնական բնութագրերի մասին՝
- քիմիական նշան - C;
- տարրի համարը - 6;
- հիմնական լիցքավորում - +6;
- պրոտոններ միջուկում - 6;
- էլեկտրոններ - 6, այդ թվում՝ 4 արտաքին, որոնցից 2-ը կազմում են զույգ, 2-ը՝ չզույգված։
Եթե CO մոնօքսիդում ածխածնի ատոմը ձևավորում է երկու կապ, ապա դրա օգտագործման են հասնում միայն 6 բացասական մասնիկներ: Օկտետ ձեռք բերելու համար անհրաժեշտ է, որ զույգերը կազմեն 4 արտաքին բացասական մասնիկ։ Ածխածինն ունի IV (+) վալենտություն երկօքսիդում և IV (–) մեթանում։
Թթվածնի շարքային թիվը 8 է, վալենտական թաղանթը բաղկացած է վեց էլեկտրոնից, որոնցից 2-ը զույգեր չեն կազմում և մասնակցում են քիմիական կապին և փոխազդեցությանը այլ ատոմների հետ։ Տիպիկ թթվածնի վալենտությունը II (–) է.
Վալենտական և օքսիդացման վիճակ
Շատ դեպքերում ավելի հարմար է օգտագործել «օքսիդացման վիճակ» հասկացությունը։ Այսպես են անվանում ատոմի լիցքը, որը նա ձեռք կբերի, եթե բոլոր կապող էլեկտրոնները փոխանցվեն էլեկտրաբացասականության (EO) ավելի մեծ արժեք ունեցող տարրին։ Պարզ նյութում օքսիդացման թիվն էզրո. Ավելի շատ EO տարրի օքսիդացման վիճակին ավելացվում է «–» նշանը, պակաս էլեկտրաբացասականին՝ «+» նշանը: Օրինակ, հիմնական ենթախմբերի մետաղների համար բնորոշ են օքսիդացման վիճակները և իոնային լիցքերը, որոնք հավասար են «+» նշանով խմբի համարին: Շատ դեպքերում նույն միացության ատոմների վալենտականությունը և օքսիդացման վիճակը թվային առումով նույնն են։ Միայն ավելի շատ էլեկտրաբացասական ատոմների հետ փոխազդեցության դեպքում օքսիդացման վիճակը դրական է, այն տարրերի հետ, որոնցում EO-ն ավելի ցածր է՝ բացասական։ «Վալենտություն» հասկացությունը հաճախ կիրառվում է միայն մոլեկուլային կառուցվածք ունեցող նյութերի նկատմամբ։
