Støkiometrisk valens

Støkiometrisk valens (formel valens) af et kemisk grundstof er et heltal fra 1 til 8, der karakteriserer dette grundstof og hjælper med at sammensætte de korrekte kemiske formler for simple forbindelser ( daltonider uden homokæder [1] ) med deltagelse af dette grundstof.

Historisk baggrund

I begyndelsen af ​​det 19. århundrede formulerede J. Dalton loven om multiple forhold , hvoraf det fulgte, at et atom af et kemisk grundstof kan kombineres med et, to, tre osv. atomer af et andet grundstof, og et ulige antal af atomer kan falde på to atomer af et grundstof et andet kemisk grundstof. Nitrogenoxider har således formlerne N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 og N 2 O 5 . Efter at den nøjagtige relative vægt af atomer blev bestemt ( J. Ya. Berzelius og andre), blev det klart, at det største antal andre atomer, som et givet atom kan kombineres med, ikke overstiger en vis værdi, individuel for hvert kemisk element. For eksempel kan et fluoratom F kombineres med kun et hydrogenatom H, et oxygenatom O - med to H-atomer, et nitrogenatom N - med henholdsvis tre H-atomer, et carbonatom C - med fire H-atomer, hvilket danner forbindelser HF, H 2 O, NH 3 og CH 4 (grundstoffer, hvis hvert atom er i stand til at kombinere med fem eller flere H-atomer, er ukendte i kemi ; se oxidationstilstand ). En kvantitativ karakteristik af evnen af ​​atomer i et kemisk grundstof til at kombinere med et vist antal atomer af et andet kemisk grundstof blev efterfølgende kaldt valens (ideen tilhører E. Frankland , 1853 [2] ; udtrykket blev introduceret af den tyske kemiker K. Wichelhaus, 1868 [3] ). Den periodiske lov af D. I. Mendeleev (1869) afslørede afhængigheden af ​​et grundstofs valens på dets position i det periodiske system af kemiske grundstoffer . Denne afhængighed spillede en ekstremt vigtig rolle i udviklingen af ​​kemi: ved kun at kende et elements position (inklusive elementer, der endnu ikke var blevet opdaget på det tidspunkt) i det periodiske system, var det muligt at bestemme dets valensmuligheder, forudsige sammensætningen af dets forbindelser og efterfølgende syntetisere dem. Ved at bruge begrebet formel (støkiometrisk) valens lykkedes det kemikere at generalisere og systematisere et enormt eksperimentelt materiale om strukturen, den støkiometriske sammensætning og egenskaberne af mange uorganiske og simple organiske forbindelser .

Find den støkiometriske valens

Som med enhver anden målbar størrelse er det at finde værdien af ​​den støkiometriske valens baseret på brugen af ​​en standard . Oprindeligt blev valensen af ​​brint vedtaget som valensenheden. Valensen af ​​et kemisk grundstof blev antaget at være lig med antallet af brintatomer, der binder sig til sig selv eller erstatter et atom af et givet grundstof i forbindelser (brintvalens) [4] . Da brint ikke danner forbindelser med alle kemiske grundstoffer, blev der også indført andre hjælpevalensstandarder: fluorvalens (den støkiometriske valens af fluor i alle dets forbindelser er lig med én brintvalensenhed) og oxygenvalens (den støkiometriske valens af oxygen i de fleste af dets forbindelser er lig med to hydrogenenheder af valens). Valensen af ​​grundstoffer, der ikke kombinerer med brint, bestemmes ud fra deres forbindelser med de grundstoffer, hvis valens er kendt. Ilt og især fluor er bekvemme ved, at forbindelser med dem danner de fleste af de kemiske grundstoffer. Således er støkiometrisk valens en værdi, hvis værdi viser, hvor mange monovalente atomer et atom af et givet kemisk grundstof kan kombinere med (eller hvor mange sådanne atomer det kan erstatte), når en kemisk forbindelse dannes.

L. Meyer (1864) ejer [5] den moderne definition af støkiometrisk valens [6] [7] :

,

hvor MA  er grundstoffets atommasse , ME  er dets ækvivalente masse i en kemisk forbindelse, V er valensen  af ​​grundstoffet i den givne forbindelse. Det er vigtigt, at atom- og ækvivalentmasserne er eksperimentelt målbare størrelser, så den støkiometriske valens kan beregnes ved hjælp af denne formel, herunder for grundstoffer, der ikke danner hydrider eller oxider , dvs. de grundstoffer, som det er umuligt at bestemme direkte for. valensen ved brint eller oxygen. Valensen bestemt af denne formel findes i henhold til den støkiometriske sammensætning af forbindelsen, deraf navnet - støkiometrisk valens . Da de er styret af et formelt tegn - formlen for en kemisk forbindelse, bliver oprindelsen af ​​det andet navn klar - formel (formel) valens .

I overensstemmelse med de empirisk etablerede formler for kemiske forbindelser blev tabeller over elementvalenser udarbejdet. Grundstoffer, hvis støkiometriske valens altid er 1: H, Li, F, Na, K, Rb, Cs; elementer, hvis støkiometriske valens altid er lig med 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn; elementer, hvis støkiometriske valens altid er 3: B, Al, Sc, Y, La. De fleste kemiske grundstoffer har en variabel støkiometrisk valens. Så i nitrogenoxider, hvis formler er givet ovenfor, varierer den støkiometriske valens af nitrogen fra 1 til 5.

Værdier af støkiometrisk valens af kemiske grundstoffer [8] :

Sjældent observerede værdier af støkiometrisk valens er angivet i parentes.

Den støkiometriske valens af et kemisk grundstof afhænger af dets position i det periodiske system. Den højeste valens af et kemisk grundstof kan ikke overstige gruppenummeret for den korte form af det periodiske system , hvori dette grundstof er placeret ( kobber Cu, sølv Ag og guld Au er undtagelser). Ruthenium Ru, osmium Os og xenon Xe kan udvise støkiometrisk valens 8 . Den laveste valens er lig med forskellen (8 - N), hvor N er nummeret på den gruppe, hvori dette element er placeret. Elementernes brintvalens har en maksimal værdi på 4, hvilket opnås af elementer i gruppe IV i det periodiske system. Grundstoffer fra gruppe V-VII i deres forbindelser med hydrogen udviser en lavere valens. I binære forbindelser viser grundstoffet, der er placeret til højre eller over i det periodiske system af grundstoffer, den laveste valens, og grundstoffet placeret til venstre eller under viser den højeste valens. For eksempel udviser svovl i kombination med oxygen en højere valens på 6, henholdsvis formlen for svovloxid (svovlsyreanhydrid) SO 3 . For ikke-metaller er to valenser som regel for de fleste af forbindelserne karakteristiske - højere og lavere. Så svovl har en højere valens på 6 og en lavere (8 - 6) \u003d 2; fosfor er karakteriseret ved valens 5 og (8 - 5) \u003d 3.

Anvendelse af støkiometrisk valens

Ved at kende de støkiometriske valenser af de elementer, der udgør en kemisk forbindelse, er det muligt at udarbejde dens bruttoformel . I det simpleste tilfælde af en binær forbindelse bruges reglen til dette, hvorefter den samlede valens af alle atomer i et grundstof skal være lig med den samlede valens af alle atomer i et andet grundstof [7] .

Algoritmen til at kompilere formlen for en binær kemisk forbindelse (ved at bruge eksemplet med pentavalent fosforoxid):

Regler for at skrive kemiske formler for binære forbindelser:

• Metalatomet i formlen sættes på førstepladsen.
• Ikke-metalatomet, som udviser den laveste valens, sættes på andenpladsen (navnet på en sådan forbindelse ender på "-id"). For eksempel er CaO calciumoxid, NaCl er natriumchlorid, PbS er blysulfid.

Formler for mere komplekse kemiske forbindelser kan nogle gange formelt opdeles i binære komponenter, og reglerne for kompilering af kemiske formler for binære forbindelser kan anvendes på disse dele. For eksempel kan formlen for kaliumsulfat K 2 SO 4 skrives som K 2 O•SO 3 , formlen for natriumcarbonat Na 2 CO 3 som Na 2 O•CO 2 og formlen for magnetit Fe 3 O 4 ( eller ) kan repræsenteres som FeO• Fe2O3 . _ _ _ Ikke alle uorganiske forbindelser, hvis formler kan bygges i henhold til værdierne for den formelle valens af de kemiske elementer, der er inkluderet i dem, eksisterer faktisk [9] . På den anden side er simple forbindelser, der indeholder 2-3 grundstoffer med formler, for hvilke reglerne for formel valens ikke overholdes, i mindretal blandt uorganiske forbindelser.

Videreudvikling af ideer om valens

Konceptet for formel valens, som er meget effektivt for simple kemiske forbindelser, bliver til ringe nytte for mere komplekse forbindelser, såsom interstitielle faser [10] , koordinationsforbindelser såsom jerncarbonyler Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , Fe 3 (CO) 12 , eller forbindelser, hvor identiske atomer er forbundet til hinanden for at danne homokæder ( acetylider , peroxider , persulfider og andre uorganiske forbindelser, samt næsten alle organiske forbindelser med to eller flere carbonatomer [11] ) . For forbindelser med homokæder viste begrebet strukturel valens [12] , der blev brugt i den klassiske teori om kemisk struktur af A. M. Butlerov , at være frugtbart .

Forsøg på at give begreberne formel og strukturel valens en meningsfuld betydning førte til fremkomsten af ​​begreberne kovalens , spin-valens , heterovalens , elektrokemisk valens ( elektrovalens , den formelle ladning af det centrale atom (kompleksdannende middel) i en kompleks ion, bl.a. en kompleks, såvel som den effektive ladning af atomkernen ), ionvalens ( oxidationstal , oxidationstilstand ), ladningstal , koordinationsnummer (se artiklen " Valens " og Oxidations# Betingelse ). I moderne kemi identificeres ideer om valens ofte med den generelle doktrin om kemisk binding [13] .

Noter

1. ↑ En homokæde er en sekvens af atomer af det samme kemiske grundstof forbundet med hinanden. Således er S8 - molekylerne af orthorhombisk og monoklinisk svovl svovlhomokæder, der er lukket i en cyklus. Alle organiske forbindelser med carbon-carbon-bindinger er homokæder.
2. ↑ Nenitescu K., General Chemistry, 1968 , s. 51.
3. ↑ Mychko D.I., The concept of "valence", 2009 , s. 6.
4. ↑ Remy G., Course of inorganic chemistry, bind 1, 1963 , s. 29.
5. ↑ Mychko D.I., The concept of "valence", 2009 , s. 9.
6. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, bind 1, 1973 , s. 26.
7. ↑ 1 2 Savelyev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , s. 19.
8. ↑ Nenitescu K., General Chemistry, 1968 .
9. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, bind 1, 1973 , s. 29.
10. ↑ Fe 3 C cementit er et eksempel .
11. ↑ Homokæder er f.eks. fraværende i sådanne organiske forbindelser som dimethylether CH 3 —O—CH 3 og myresyremethylester HCO—O—CH 3 .
12. ↑ Savelyev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , s. 22.
13. ↑ Chemical encyclopedia, bind 1, 1988 , s. 345.

Litteratur

• Mychko D. I. Begrebet "valens" i de metodiske og didaktiske aspekter  // Kemi: problemer med udlægning. - 2009. - Nr. 6 . - S. 3-22. (Russisk)
• Nekrasov B.V. Grundlæggende om generel kemi. - 3. udg. - M .: Kemi, 1973. - T. 1. - 656 s.
• Nenitescu K. Generel kemi. - M . : Mir, 1968. - 816 s.
• Remy G. Kursus i uorganisk kemi. - M . : Forlag for udenlandsk litteratur, 1963. - T. 1. - 920 s.
• Savelyev G.G., Smolova L.M. Generel kemi. - Tomsk: Publishing House of the Tomsk Polytechnic University, 2006. - 202 s.
• Chemical Encyclopedia / Kap. udg. I. L. Knunyants. - M . : Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1: A - Darzana. — 624 s.