Stökiometrisk valens

Stökiometrisk valens (formell valens) för ett kemiskt element är ett heltal från 1 till 8 som kännetecknar detta element och hjälper till att komponera de korrekta kemiska formlerna för enkla föreningar ( daltonider utan homokedjor [1] ) med deltagande av detta element.

Historisk bakgrund

I början av 1800-talet formulerade J. Dalton lagen om multipla förhållanden , av vilken det följde att en atom av ett kemiskt element kan kombineras med en, två, tre, etc. atomer av ett annat element, och ett udda antal av atomer kan falla på två atomer av ett grundämne ett annat kemiskt element. Kväveoxider har således formlerna N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 och N 2 O 5 . Efter att de exakta relativa vikterna av atomer bestämts ( J. Ya. Berzelius och andra) blev det klart att det största antalet andra atomer med vilka en given atom kan kombineras inte överstiger ett visst värde, individuellt för varje kemiskt element. Till exempel kan en fluoratom F kombineras med endast en väteatom H, en syreatom O - med två H-atomer, en kväveatom N - med tre H-atomer, en kolatom C - med fyra H-atomer, respektive, vilket bildar föreningar HF, H 2 O, NH 3 och CH 4 (grundämnen vars varje atom kan kombineras med fem eller fler H-atomer är okända inom kemin ; se oxidationstillstånd ). En kvantitativ egenskap av förmågan hos atomer av ett kemiskt element att kombineras med ett visst antal atomer av ett annat kemiskt element kallades därefter valens (idén tillhör E. Frankland , 1853 [2] ; termen introducerades av den tyske kemisten K. Wichelhaus, 1868 [3] ). Den periodiska lagen av D. I. Mendeleev (1869) avslöjade beroendet av ett elements valens på dess position i det periodiska systemet av kemiska element . Detta beroende spelade en extremt viktig roll i utvecklingen av kemi: genom att bara känna till läget för ett element (inklusive element som ännu inte hade upptäckts vid den tiden) i det periodiska systemet, var det möjligt att bestämma dess valensmöjligheter, förutsäga sammansättningen av dess föreningar och därefter syntetisera dem. Med begreppet formell (stökiometrisk) valens lyckades kemister generalisera och systematisera ett enormt experimentellt material om strukturen, den stökiometriska sammansättningen och egenskaperna hos många oorganiska och enkla organiska föreningar .

Hitta den stökiometriska valensen

Som med alla andra mätbara kvantiteter baseras att hitta värdet på den stökiometriska valensen på användningen av en standard . Ursprungligen antogs valensen av väte som valensenheten. Valensen av ett kemiskt grundämne antogs vara lika med antalet väteatomer som fäster till sig själv eller ersätter en atom av ett givet grundämne i föreningar (vätevalens) [4] . Eftersom väte inte bildar föreningar med alla kemiska grundämnen, introducerades även andra hjälpvalensstandarder: fluorvalens (den stökiometriska valensen för fluor i alla dess föreningar är lika med en vätevalensenhet) och syrevalens (den stökiometriska valensen för syre i de flesta av dess föreningar är lika med två valensenheter väte). Valensen av element som inte kombineras med väte bestäms av deras föreningar med de element vars valens är känd. Syre och särskilt fluor är lämpliga eftersom föreningar med dem bildar de flesta av de kemiska elementen. Således är stökiometrisk valens ett värde vars värde visar hur många monovalenta atomer en atom av ett givet kemiskt element kan kombineras med (eller hur många sådana atomer den kan ersätta) när en kemisk förening bildas.

L. Meyer (1864) äger [5] den moderna definitionen av stökiometrisk valens [6] [7] :

,

där MA  är grundämnets atommassa , ME är  dess ekvivalenta massa i en kemisk förening, V  är valensen för grundämnet i den givna föreningen. Det är viktigt att atommassorna och de ekvivalenta massorna är experimentellt mätbara storheter, så att den stökiometriska valensen kan beräknas med denna formel, inklusive för grundämnen som inte bildar hydrider eller oxider , det vill säga de grundämnen för vilka det är omöjligt att direkt bestämma valensen av väte eller syre. Valensen som bestäms av denna formel hittas enligt den stökiometriska sammansättningen av föreningen, därav namnet - stökiometrisk valens . Eftersom de styrs av ett formellt tecken - formeln för en kemisk förening, blir ursprunget till det andra namnet tydligt - formell (formel) valens .

I enlighet med de empiriskt etablerade formlerna för kemiska föreningar sammanställdes tabeller över elementvalenser. Element vars stökiometriska valens alltid är 1: H, Li, F, Na, K, Rb, Cs; element vars stökiometriska valens alltid är lika med 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn; element vars stökiometriska valens alltid är 3: B, Al, Sc, Y, La. De flesta kemiska grundämnen har en variabel stökiometrisk valens. Så i kväveoxider, vars formler ges ovan, varierar den stökiometriska valensen av kväve från 1 till 5.

Värden för stökiometrisk valens av kemiska element [8] :

atomnummer Element Valens
6 Kol C (2), 4
7 Kväve N 1, 2, 3, 4, 5
fjorton Silicon Si (2), 4
femton Fosfor P (1), 3, 5
16 Svavel S 2, 4, 6
17 Klor Cl 1, (2), 3, (4), 5, 7
22 Titan Ti 2, 3, 4
23 Vanadin V 2, 3, 4, 5
24 Chrome Cr 2, 3, 6
25 Mangan Mn 2, (3), 4, (6), 7
26 Järn Fe 2, 3, (4), (6)
27 Cobalt Co 2, 3, (4)
28 Nickel Ni (1), 2, (3), (4)
29 Koppar Cu 1, 2, (3)
31 Gallium Ga (2), 3
32 Germanium Ge 2, 4
33 Arsenik As (2), 3, 5
34 Selen Se 2, 4, 6
35 Brom Br 1, (3), (4), 5
36 Krypton Kr 2
40 Zirkonium Zr (2), (3), 4
41 Niob Nb (2), 3, (4), 5
42 Molybden Mo (2), 3, (4), (5), 6
43 Technetium Tc 1, 4, 5, 6, 7
44 Ruthenium Ru (2), 3, 4, (6), (7), 8
45 Rhodium Rh (2), (3), 4, (6)
46 Palladium Pd 2, 4, (6)
47 Silver Ag 1, (2), (3)
48 Kadmium CD (12
49 Indium _ (1), (2), 3
femtio Plåt Sn 2, 4
51 Antimon Sb 3, (4), 5
52 Tellur Te 2, 4, 6
53 Jod I 1, (3), (4), 5, 7
54 Xenon Xe 1, 2, 4, 6, 8
58 Cerium Ce 3, 4
59 Praseodymium Pr 3
60 Neodym Nd 3, 4
61 Promethium Pm 3
62 Samarium Sm (2), 3
63 Europium Eu (2), 3
64 Gadolinium Gd 3
65 Terbium Tb 3, 4
66 Dysprosium Dy 3
67 Holmium Ho 3
68 Erbium Er 3
69 Thulium Tm (2), 3
70 Ytterbium Yb (2), 3
71 Lu Lu 3
72 Hafnium Hf 2, 3, 4
73 Tantal Ta (3), (4), 5
74 Tungsten W (2), (3), (4), (5), 6
75 Rhenium Re (1), 2, (3), 4, (5), 6, 7
76 Osmium Os (2), 3, 4, 6, 8
77 Iridium Ir (1), (2), 3, 4, 6
78 Platinum Pt (1), 2, (3), 4, 6
79 Au guld (1), (2), 3
80 Kvicksilver Hg 12
81 Tallium Tl 1, (2), 3
82 Bly Pb 2, 4
83 Vismut Bi (1), (2), 3, (4), (5)
84 Polonium Po 2, 4, (6)
85 Astatin At 1, (4), 5
86 Radon Rn 2, 4, 6
87 Francium Fr ?
88 Radium Ra 2
89 Actinium Ac 3
90 Thorium Th fyra
91 Protactinium Pa 3, 5
92 Uranus U (2), 3, 4, (5), 6
93 Neptunium Np 2, 3, 4, 7
94 Plutonium Pu 2, 3, 4, 5, 6, (7)

Sällan observerade värden av stökiometrisk valens anges inom parentes.

Den stökiometriska valensen av ett kemiskt element beror på dess position i det periodiska systemet. Den högsta valensen av ett kemiskt element kan inte överstiga gruppnumret för den korta formen av det periodiska systemet där detta element är beläget ( koppar Cu, silver Ag och guld Au är undantag). Ruthenium Ru, osmium Os och xenon Xe kan uppvisa stökiometrisk valens 8 . Den lägsta valensen är lika med skillnaden (8 - N), där N är numret på gruppen där detta element är beläget. Vätevalensen för elementen har ett maximalt värde på 4, vilket uppnås av element i grupp IV i det periodiska systemet. Element från grupperna V-VII i deras föreningar med väte uppvisar en lägre valens. I binära föreningar visar grundämnet som är placerat till höger eller ovanför i det periodiska systemet för grundämnen den lägsta valensen, och grundämnet till vänster eller nedan visar den högsta valensen. Till exempel, i kombination med syre, uppvisar svavel en högre valens på 6, respektive formeln för svaveloxid (svavelsyraanhydrid) SO 3 . För icke-metaller, som regel, för de flesta av föreningarna är två valenser karakteristiska - högre och lägre. Så svavel har en högre valens på 6 och en lägre (8 - 6) \u003d 2; Fosfor kännetecknas av valenserna 5 och (8 - 5) \u003d 3.

Tillämpning av stökiometrisk valens

Genom att känna till de stökiometriska valenserna för de element som utgör en kemisk förening är det möjligt att dra upp dess bruttoformel . I det enklaste fallet av en binär förening används regeln för detta, enligt vilken den totala valensen för alla atomer i ett grundämne måste vara lika med den totala valensen för alla atomer i ett annat grundämne [7] .

Algoritmen för att sammanställa formeln för en binär kemisk förening (med exemplet femvärd fosforoxid):

 Handling   Resultat 
 Skriv elementsymboler   PO
 Ange elementvalenser  P(5) O(2)
 Hitta den minsta gemensamma multipeln av valenser (LCM)   5 * 2 = 10
 Hitta antalet atomer av element genom att dividera LCM med valensen av elementen  P: 10/5 = 2; O: 10/2 = 5 
 Skriv den sammansatta formeln  P2O5 _ _ _

Regler för att skriva kemiska formler för binära föreningar:

Formler för mer komplexa kemiska föreningar kan ibland formellt delas upp i binära komponenter och reglerna för att sammanställa kemiska formler för binära föreningar kan tillämpas på dessa delar. Till exempel kan formeln för kaliumsulfat K 2 SO 4 skrivas som K 2 O•SO 3 , formeln för natriumkarbonat Na 2 CO 3 som Na 2 O•CO 2 och formeln för magnetit Fe 3 O 4 ( eller ) kan representeras som FeO• Fe2O3 . _ _ _ Inte alla oorganiska föreningar, vars formler kan byggas enligt värdena för den formella valensen av de kemiska elementen som ingår i dem, existerar faktiskt [9] . Å andra sidan är enkla föreningar som innehåller 2–3 grundämnen med formler för vilka reglerna för formell valens inte iakttas i minoritet bland oorganiska föreningar.

Vidareutveckling av idéer om valens

Begreppet formell valens, som är mycket effektivt för enkla kemiska föreningar, blir till liten användning för mer komplexa föreningar, såsom interstitiell fas [10] , koordinationsföreningar såsom järnkarbonyler Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , Fe 3 (CO) 12 , eller föreningar i vilka identiska atomer är anslutna till varandra för att bilda homokedjor ( acetylider , peroxider , persulfider och andra oorganiska föreningar, såväl som nästan alla organiska föreningar med två eller flera kolatomer [11] ) . För föreningar med homokedjor visade sig konceptet med strukturell valens [12] som används i den klassiska teorin om kemisk struktur av A. M. Butlerov vara fruktbart .

Försök att ge begreppen formell och strukturell valens en meningsfull innebörd ledde till uppkomsten av begreppen kovalens , spin-valens , heterovalens , elektrokemisk valens ( elektrovalens , den centrala atomens formella laddning (komplexbildaren) i en komplex jon, bl.a. en komplex sådan, såväl som den effektiva laddningen av atomkärnan ), jonvalens ( oxidationstal , oxidationstillstånd ), laddningsnummer , koordinationsnummer (se artikeln " Valens " och Oxidationsnummer villkorlighet ). I modern kemi identifieras idéer om valens ofta med den allmänna läran om kemisk bindning [13] .

Anteckningar

  1. ↑ En homokedja är en sekvens av atomer av samma kemiska element kopplade till varandra. Sålunda är S8- molekylerna av ortorombiskt och monoklint svavel svavelhomokedjor slutna i en cykel . Alla organiska föreningar med kol-kolbindningar är homokedjor.
  2. ↑ Nenitescu K., General Chemistry, 1968 , sid. 51.
  3. ↑ Mychko D.I., The concept of "valence", 2009 , sid. 6.
  4. ↑ Remy G., Course of inorganic chemistry, vol. 1, 1963 , sid. 29.
  5. ↑ Mychko D.I., The concept of "valence", 2009 , sid. 9.
  6. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, vol 1, 1973 , sid. 26.
  7. ↑ 1 2 Savelyev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , sid. 19.
  8. ↑ Nenitescu K., General Chemistry, 1968 .
  9. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, vol 1, 1973 , sid. 29.
  10. ↑ Fe 3 C cementit är ett exempel .
  11. ↑ Homokedjor saknas till exempel i sådana organiska föreningar som dimetyleter CH 3 —O—CH 3 och myrsyrametylester HCO—O—CH 3 .
  12. ↑ Savelyev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , sid. 22.
  13. ↑ Chemical encyclopedia, vol. 1, 1988 , sid. 345.

Litteratur