19 ғасырдағы атомдар мен молекулалардың құрылысы туралы білім деңгейі атомдардың басқа бөлшектермен белгілі бір байланыстар санын құру себебін түсіндіруге мүмкіндік бермеді. Бірақ ғалымдардың идеялары өз заманынан озық болды, ал валенттілік химияның негізгі принциптерінің бірі ретінде әлі де зерттелуде.
«Химиялық элементтердің валенттілігі» түсінігінің тарихынан
19 ғасырдағы көрнекті ағылшын химигі Эдвард Франкланд атомдардың бір-бірімен әрекеттесу процесін сипаттау үшін «байланыс» терминін ғылыми қолданысқа енгізді. Ғалым кейбір химиялық элементтердің басқа атомдар саны бірдей қосылыстар түзетінін байқады. Мысалы, азот аммиак молекуласына үш сутегі атомын қосады.
1852 жылы мамырда Франкланд атомның заттың басқа ұсақ бөлшектерімен түзе алатын химиялық байланыстардың белгілі бір саны бар деген болжам жасады. Франкланд кейінірек валенттілік деп аталатын нәрсені сипаттау үшін «байланыстырушы күш» тіркесін қолданды. Ағылшын химигі қанша екенін анықтадыхимиялық байланыстар 19 ғасырдың ортасында белгілі жеке элементтердің атомдарын құрайды. Франкландтың жұмысы қазіргі құрылымдық химияға маңызды үлес болды.
Көзқарастарды дамыту
Неміс химигі Ф. А. Кекуле 1857 жылы көміртектің төрт негізді екенін дәлелдеді. Оның ең қарапайым қосылысында – метанда 4 сутегі атомы бар байланыстар бар. Ғалым басқа бөлшектердің қатаң белгіленген санын бекіту үшін элементтердің қасиетін белгілеу үшін «негіздік» терминін қолданды. Ресейде материяның құрылымы туралы мәліметтерді А. М. Бутлеров (1861) жүйелеген. Химиялық байланыс теориясы элементтер қасиеттерінің периодты өзгеруі туралы ілімнің арқасында одан әрі дамуға ие болды. Оның авторы тағы бір көрнекті орыс химигі Д. И. Менделеев. Ол қосылыстардағы химиялық элементтердің валенттілігі және басқа қасиеттері олардың периодтық жүйеде алатын орнына байланысты екенін дәлелдеді.
Валенттілік пен химиялық байланыстың графикалық көрінісі
Молекулаларды визуалды түрде көрсету мүмкіндігі валенттілік теориясының сөзсіз артықшылықтарының бірі болып табылады. Алғашқы модельдер 1860 жылдары пайда болды, ал 1864 жылдан бастап құрылымдық формулалар қолданыла бастады, олар ішінде химиялық белгісі бар шеңберлер. Атомдардың таңбаларының арасындағы сызықша химиялық байланысты көрсетеді және бұл жолдардың саны валенттілік мәніне тең. Сол жылдары доп пен таяқтың алғашқы үлгілері жасалды (сол жақтағы фотосуретті қараңыз). 1866 жылы Кекуле атомның стереохимиялық сызбасын ұсынды.тетраэдр түріндегі көміртекті ол өзінің «Органикалық химия» оқулығына енгізді.
Химиялық элементтердің валенттілігін және байланыстардың пайда болуын Г. Льюис зерттеп, 1923 жылы электрон ашылғаннан кейін еңбектерін жариялады. Бұл атомдардың қабықшаларының бөлігі болып табылатын ең кішкентай теріс зарядты бөлшектердің атауы. Льюис өз кітабында валенттік электрондарды көрсету үшін химиялық элемент таңбасының төрт жағындағы нүктелерді пайдаланды.
Сутегі мен оттегінің валенттілігі
Периодтық жүйе құрылғанға дейін қосылыстардағы химиялық элементтердің валенттілігі әдетте белгілі атомдармен салыстырылды. Стандарттар ретінде сутегі мен оттегі таңдалды. Басқа химиялық элемент H және O атомдарының белгілі бір санын тартты немесе ауыстырды.
Осылайша бір валентті сутегі бар қосылыстардың қасиеттері анықталды (екінші элементтің валенттілігі рим цифрымен көрсетіледі):
- HCl - хлор (I):
- H2O - оттегі (II);
- NH3 - азот (III);
- CH4 - көміртегі (IV).
оксидтерде K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 қосылған O атомдарының санын екі есе көбейту арқылы металдар мен бейметалдардың оттегінің валенттілігін анықтады. Келесі мәндер алынды: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Химиялық элементтердің валенттілігін қалай анықтауға болады
Жалпы электронды байланыстыратын химиялық байланыстың түзілу заңдылықтары баржұптар:
- Сутегі типтік валенттілігі - I.
- Әдеттегі оттегі валенттілігі - II.
- Металл емес элементтер үшін ең төменгі валенттілікті 8 формула бойынша анықтауға болады – олар периодтық жүйеде орналасқан топтың саны. Ең жоғары, мүмкін болса, топ нөмірі арқылы анықталады.
- Қосымша ішкі топтардың элементтері үшін максималды мүмкін валенттілік олардың периодтық кестедегі топ нөмірімен бірдей.
Қосылыс формуласы бойынша химиялық элементтердің валенттілігін анықтау келесі алгоритм арқылы жүзеге асырылады:
- Химиялық белгі үстіндегі элементтердің біреуінің белгілі мәнін жазыңыз. Мысалы, Mn2O7 тілінде оттегі валенттілігі II.
- Толық мәнді есептеңіз, ол үшін валенттілікті молекуладағы бір химиялық элемент атомдарының санына көбейту керек: 27=14.
- Белгісіз екінші элементтің валенттілігін анықтаңыз. 2-қадамда алынған мәнді молекуладағы Mn атомдарының санына бөліңіз.
- 14: 2=7. Марганецтің жоғары оксидіндегі валенттілігі VII.
Тұрақты және айнымалы валенттілік
Сутегі мен оттегінің валенттілік мәндері әртүрлі. Мысалы, H2S қосылысындағы күкірт екі валентті, ал SO3 формуласында алты валентті. Көміртек оттегімен СО тотығы мен диоксиді CO2 түзеді. Бірінші қосылыста С валенттілігі II, ал екіншісінде IV болады. Метандағы бірдей мән CH4.
Көбісіэлементтер тұрақты емес, өзгермелі валенттілікті көрсетеді, мысалы, фосфор, азот, күкірт. Бұл құбылыстың негізгі себептерін іздеу химиялық байланыс теорияларының, электрондардың валенттілік қабаты және молекулалық орбитальдар туралы идеялардың пайда болуына әкелді. Бір қасиеттің әртүрлі мәндерінің болуы атомдар мен молекулалардың құрылымы тұрғысынан түсіндірілді.
Валенттілік туралы заманауи идеялар
Барлық атомдар теріс зарядталған электрондармен қоршалған оң ядродан тұрады. Олар түзетін сыртқы қабық аяқталмаған. Аяқталған құрылым ең тұрақты, құрамында 8 электрон бар (октет). Ортақ электронды жұптардың арқасында химиялық байланыстың пайда болуы атомдардың энергетикалық қолайлы күйіне әкеледі.
Қосылыстардың түзілу ережесі - бұл электрондарды қабылдау немесе жұпталмағандарды беру арқылы қабықтың аяқталуы - қай процесс оңайырақ екеніне байланысты. Егер атом жұбы жоқ теріс бөлшектердің химиялық байланысының түзілуін қамтамасыз етсе, онда жұпталмаған электрондары қанша болса, сонша байланыс түзеді. Қазіргі түсініктерге сәйкес, химиялық элементтер атомдарының валенттілігі коваленттік байланыстың белгілі бір санын түзу қабілеті. Мысалы, күкіртсутек молекуласында H2S күкірт II (–) валенттілікке ие болады, өйткені әрбір атом екі электрон жұбының түзілуіне қатысады. «–» белгісі электрондар жұбының электртеріс элементке тартылуын көрсетеді. Электртерістігі азырақ үшін валенттілік мәніне “+” қосылады.
Донор-акцепторлық механизммен процеске бір элементтің электронды жұптары және басқа элементтің бос валентті орбитальдары қатысады.
Валенттіліктің атом құрылысына тәуелділігі
Көміртек пен оттегінің мысалын қарастырайық, химиялық элементтердің валенттілігі заттың құрылымына қалай тәуелді. Периодтық кесте көміртегі атомының негізгі сипаттамалары туралы түсінік береді:
- химиялық белгісі - C;
- элемент нөмірі - 6;
- негізгі заряд - +6;
- ядродағы протондар - 6;
- электрондар - 6, оның ішінде 4 сыртқы, оның 2-і жұп құрайды, 2-сі жұпталмаған.
Егер СО оксидіндегі көміртек атомы екі байланыс түзсе, онда оның қолданылуына тек 6 теріс бөлшек келеді. Октет алу үшін жұптар 4 сыртқы теріс бөлшектерді құруы керек. Көміртектің диоксидте IV (+) валенттілігі және метанда IV (–) валенттілігі бар.
Оттегінің реттік саны 8, валенттік қабаты алты электроннан тұрады, оның 2-і жұп түзбейді және химиялық байланысқа және басқа атомдармен әрекеттесуге қатысады. Әдеттегі оттегі валенттілігі II (–).
Валенттілігі және тотығу дәрежесі
Көп жағдайда «тотығу дәрежесі» түсінігін қолдану ыңғайлырақ. Бұл атомның барлық байланыс электрондары электртерістігінің (ЭО) жоғары мәні бар элементке ауысқанда алатын зарядына берілген атау. Қарапайым заттағы тотығу санынөл. Неғұрлым EO элементінің тотығу дәрежесіне «–» таңбасы, электртерістігі аз элементке «+» белгісі қосылады. Мысалы, негізгі топшалардың металдары үшін тотығу дәрежелері мен иондық зарядтар типтік болып табылады, «+» белгісі бар топ нөміріне тең. Көп жағдайда бір қосылыстағы атомдардың валенттілігі мен тотығу дәрежесі сандық жағынан бірдей болады. Электртеріс атомдармен әрекеттескенде ғана тотығу дәрежесі оң, ЭО төмен элементтерде теріс болады. «Валенттілік» ұғымы көбінесе тек молекулалық құрылымдағы заттарға қолданылады.
