Valenta stoichiometrica

Valența stoichiometrică (valența formală) a unui element chimic este un număr întreg de la 1 la 8 care caracterizează acest element și ajută la alcătuirea formulelor chimice corecte ale compușilor simpli ( daltonide fără omolanțuri [1] ) cu participarea acestui element.

Context istoric

La începutul secolului al XIX-lea, J. Dalton a formulat legea rapoartelor multiple , din care a rezultat că un atom al unui element chimic se poate combina cu unul, doi, trei etc. atomi ai altui element și un număr impar de atomii pot cădea pe doi atomi ai unui element alt element chimic. Astfel, oxizii de azot au formulele N2O , NO , N2O3 , NO2 şi N2O5 . După ce au fost determinate greutățile relative exacte ale atomilor ( J. Ya. Berzelius și alții), a devenit clar că cel mai mare număr de alți atomi cu care se poate combina un anumit atom nu depășește o anumită valoare, individuală pentru fiecare element chimic. De exemplu, un atom de fluor F se poate combina cu un singur atom de hidrogen H, un atom de oxigen O - cu doi atomi de H, un atom de azot N - cu trei atomi de H, un atom de carbon C - cu patru atomi de H, respectiv, formând compuși HF, H2O , NH3 și CH4 ( elementele al căror atom este capabil să se combine cu cinci sau mai mulți atomi de H sunt necunoscute în chimie ; vezi starea de oxidare ). O caracteristică cantitativă a capacității atomilor unui element chimic de a se combina cu un anumit număr de atomi ai altui element chimic a fost numită ulterior valență (ideea îi aparține lui E. Frankland , 1853 [2] ; termenul a fost introdus de chimistul german K. Wichelhaus, 1868 [3] ). Legea periodică a lui D. I. Mendeleev (1869) a relevat dependența valenței unui element de poziția sa în sistemul periodic al elementelor chimice . Această dependență a jucat un rol extrem de important în dezvoltarea chimiei: cunoscând doar poziția unui element (inclusiv elemente care nu fuseseră încă descoperite la acel moment) în sistemul periodic, a fost posibil să se determine posibilitățile sale de valență, să prezică compoziția a compușilor săi și ulterior să-i sintetizeze. Folosind conceptul de valență formală (stoichiometrică), chimiștii au reușit să generalizeze și să sistematizeze un imens material experimental privind structura, compoziția stoechiometrică și proprietățile multor compuși organici anorganici și simpli .

Găsirea valenței stoichiometrice

Ca și în cazul oricărei alte mărimi măsurabile , găsirea valorii valenței stoichiometrice se bazează pe utilizarea unui standard . Inițial, valența hidrogenului a fost adoptată ca unitate de valență. S-a presupus că valența unui element chimic este egală cu numărul de atomi de hidrogen care se atașează sau înlocuiește un atom al unui element dat în compuși (valența hidrogenului) [4] . Deoarece hidrogenul nu formează compuși cu toate elementele chimice, au fost introduse și alte standarde de valență auxiliare: valența fluorului (valența stoechiometrică a fluorului în toți compușii săi este egală cu o unitate de valență a hidrogenului) și valența oxigenului (valența stoechiometrică a oxigenului în majoritatea dintre compușii săi este egal cu două unități de hidrogen de valență). Valența elementelor care nu se combină cu hidrogenul este determinată din compușii lor cu acele elemente a căror valență este cunoscută. Oxigenul și, în special, fluorul sunt convenabile, deoarece compușii cu ei formează majoritatea elementelor chimice. Astfel, valența stoechiometrică este o valoare a cărei valoare arată cu câți atomi monovalenți se poate combina un atom dintr-un anumit element chimic (sau cu câți astfel de atomi poate înlocui) atunci când se formează un compus chimic.

L. Meyer (1864) deține [5] definiția modernă a valenței stoichiometrice [6] [7] :

,

unde M A  este masa atomică a elementului, M E  este masa sa echivalentă într-un compus chimic, V  este valența elementului în compusul dat. Este important ca masele atomice și echivalente să fie cantități măsurabile experimental, astfel încât valența stoechiometrică să poată fi calculată folosind această formulă, inclusiv pentru elementele care nu formează hidruri sau oxizi , adică acele elemente pentru care este imposibil să se determine direct. valenţa prin hidrogen sau oxigen. Valența determinată de această formulă se găsește în funcție de compoziția stoechiometrică a compusului, de unde și denumirea - valență stoichiometrică . Deoarece sunt ghidați de un semn formal - formula unui compus chimic, originea celui de-al doilea nume devine clară - valența formală (formula) .

În conformitate cu formulele stabilite empiric ale compușilor chimici, au fost întocmite tabele cu valențe ale elementelor. Elemente a căror valență stoechiometrică este întotdeauna 1: H, Li, F, Na, K, Rb, Cs; elemente a căror valență stoechiometrică este întotdeauna egală cu 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn; elemente a căror valență stoechiometrică este întotdeauna 3: B, Al, Sc, Y, La. Majoritatea elementelor chimice au o valență stoechiometrică variabilă. Deci, în oxizii de azot, ale căror formule sunt date mai sus, valența stoechiometrică a azotului variază de la 1 la 5.

Valorile valenței stoechiometrice ale elementelor chimice [8] :

Valorile valenței stoichiometrice observate rar sunt indicate în paranteze.

Valența stoichiometrică a unui element chimic depinde de poziția sa în sistemul periodic. Cea mai mare valență a unui element chimic nu poate depăși numărul de grup al formei scurte a sistemului periodic în care se află acest element ( cupru Cu, argint Ag și aurul Au sunt excepții). Ruteniul Ru, osmiul Os și xenonul Xe pot prezenta valență stoechiometrică 8 . Cea mai mică valență este egală cu diferența (8 - N), unde N este numărul grupului în care se află acest element. Valenta de hidrogen a elementelor are o valoare maxima de 4, care este realizata de elementele din grupa IV a sistemului periodic. Elementele grupelor V-VII din compușii lor cu hidrogen prezintă o valență mai mică. În compușii binari, elementul care este situat la dreapta sau sus în tabelul periodic al elementelor arată cea mai mică valență, iar elementul situat la stânga sau mai jos prezintă cea mai mare valență. De exemplu, în combinație cu oxigen, sulful prezintă o valență mai mare de 6, respectiv, formula oxidului de sulf (anhidridă sulfurică) SO3 . Pentru nemetale, de regulă, pentru majoritatea compușilor, două valențe sunt caracteristice - mai mare și mai mică. Deci, sulful are o valență mai mare de 6 și una mai mică (8 - 6) \u003d 2; fosforul este caracterizat prin valențe 5 și (8 - 5) \u003d 3.

Aplicarea valenței stoichiometrice

Cunoscând valențele stoechiometrice ale elementelor care alcătuiesc un compus chimic, este posibil să se întocmească formula brută a acestuia . În cel mai simplu caz al unui compus binar , se folosește regula pentru aceasta, conform căreia valența totală a tuturor atomilor unui element trebuie să fie egală cu valența totală a tuturor atomilor altui element [7] .

Algoritmul pentru compilarea formulei unui compus chimic binar (folosind exemplul oxidului de fosfor pentavalent):

Reguli pentru scrierea formulelor chimice ale compușilor binari:

• Atomul de metal din formulă este pus pe primul loc.
• Atomul nemetal, care prezintă cea mai mică valență, este pus pe locul doi (numele unui astfel de compus se termină în „-id”). De exemplu, CaO este oxid de calciu, NaCl este clorură de sodiu, PbS este sulfură de plumb.

Formulele compușilor chimici mai complexi pot fi uneori defalcate în mod formal în componente binare și regulile de compilare a formulelor chimice ale compușilor binari pot fi aplicate acestor părți. De exemplu, formula pentru sulfatul de potasiu K 2 SO 4 poate fi scrisă ca K 2 O•SO 3 , formula pentru carbonatul de sodiu Na 2 CO 3 ca Na 2 O•CO 2 , iar formula pentru magnetita Fe 3 O 4 ( sau ) poate fi reprezentat ca FeO• Fe2O3._ _ _ Nu toți compușii anorganici, ale căror formule pot fi construite în funcție de valorile valenței formale a elementelor chimice incluse în ei, există efectiv [9] . Pe de altă parte, compușii simpli care conțin 2-3 elemente cu formule pentru care regulile valenței formale nu sunt respectate sunt minoritari dintre compușii anorganici.

Dezvoltarea în continuare a ideilor despre valență

Conceptul de valență formală, care este foarte eficient pentru compușii chimici simpli, devine de puțin folos pentru compușii mai complecși, cum ar fi fazele interstițiale [10] , compușii de coordonare precum carbonilii de fier Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 . , Fe 3 (CO) 12 , sau compuși în care atomi identici sunt legați între ei pentru a forma omolanțuri ( acetilide , peroxizi , persulfuri și alți compuși anorganici, precum și aproape toți compușii organici cu doi sau mai mulți atomi de carbon [11] ) . Pentru compușii cu homolanțuri, conceptul de valență structurală [12] utilizat în teoria clasică a structurii chimice de A. M. Butlerov s-a dovedit a fi fructuos .

Încercările de a da conceptelor de valență formală și structurală un sens semnificativ au condus la apariția conceptelor de covalență , spin-valență , heterovalență , valență electrochimică ( electrovalență , sarcina formală a atomului central (agent de complexare) într-un ion complex, inclusiv unul complex; precum și sarcina efectivă a nucleului atomic ), valența ionică ( numărul de oxidare, starea de oxidare ), numărul de sarcină, numărul de coordonare (vezi articolul „ Valență ” și Oxidarea # Condiționalitatea ). În chimia modernă, ideile despre valență sunt adesea identificate cu doctrina generală a legăturii chimice [13] .

Note

1. ↑ Un homolanț este o succesiune de atomi ai aceluiași element chimic conectați între ei. Astfel, moleculele S 8 de sulf ortorombic și monoclinic sunt homolanțuri de sulf închise într-un ciclu. Toți compușii organici cu legături carbon-carbon sunt homolanțuri.
2. ↑ Nenitescu K., Chimie generală, 1968 , p. 51.
3. ↑ Mychko D.I., Conceptul de „valență”, 2009 , p. 6.
4. ↑ Remy G., Curs de chimie anorganică, vol. 1, 1963 , p. 29.
5. ↑ Mychko D.I., Conceptul de „valență”, 2009 , p. 9.
6. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, vol. 1, 1973 , p. 26.
7. ↑ 1 2 Savelev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , p. 19.
8. ↑ Nenitescu K., Chimie generală, 1968 .
9. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentals of General Chemistry, vol. 1, 1973 , p. 29.
10. ↑ Cementita Fe 3 C este un exemplu .
11. ↑ Homolanțurile sunt absente, de exemplu, în compuși organici precum dimetileterul CH3 — O—CH3 și esterul metilic al acidului formic HCO—O— CH3 .
12. ↑ Savelev G.G., Smolova L.M., General Chemistry, 2006 , p. 22.
13. ↑ Enciclopedia chimică, vol. 1, 1988 , p. 345.

Literatură

• Mychko D. I. Conceptul de „valență” în aspectele metodologice și didactice  // Chimie: probleme de așezare. - 2009. - Nr 6 . - P. 3-22. (Rusă)
• Nekrasov B.V. Fundamentele Chimiei Generale. - Ed. a 3-a. - M .: Chimie, 1973. - T. 1. - 656 p.
• Nenitescu K. Chimie generala. - M . : Mir, 1968. - 816 p.
• Remy G. Curs de chimie anorganică. - M . : Editura de literatură străină, 1963. - T. 1. - 920 p.
• Savelev G.G., Smolova L.M. Chimie generală. - Tomsk: Editura Universității Politehnice din Tomsk, 2006. - 202 p.
• Enciclopedia chimică / Cap. ed. I. L. Knunyants. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1988. - T. 1: A - Darzana. — 624 p.