Το επίπεδο γνώσης σχετικά με τη δομή των ατόμων και των μορίων τον 19ο αιώνα δεν επέτρεψε να εξηγηθεί ο λόγος για τον οποίο τα άτομα σχηματίζουν έναν ορισμένο αριθμό δεσμών με άλλα σωματίδια. Αλλά οι ιδέες των επιστημόνων ήταν μπροστά από την εποχή τους και το σθένος εξακολουθεί να μελετάται ως μία από τις βασικές αρχές της χημείας.
Από την ιστορία της έννοιας του "σθένους των χημικών στοιχείων"
Ο εξαιρετικός Άγγλος χημικός του 19ου αιώνα Έντουαρντ Φράνκλαντ εισήγαγε τον όρο «δεσμός» στην επιστημονική χρήση για να περιγράψει τη διαδικασία αλληλεπίδρασης των ατόμων μεταξύ τους. Ο επιστήμονας παρατήρησε ότι ορισμένα χημικά στοιχεία σχηματίζουν ενώσεις με τον ίδιο αριθμό άλλων ατόμων. Για παράδειγμα, το άζωτο συνδέει τρία άτομα υδρογόνου στο μόριο της αμμωνίας.
Τον Μάιο του 1852, ο Frankland υπέθεσε ότι υπήρχε ένας συγκεκριμένος αριθμός χημικών δεσμών που ένα άτομο θα μπορούσε να σχηματίσει με άλλα μικροσκοπικά σωματίδια ύλης. Ο Frankland χρησιμοποίησε τη φράση «συνδετική δύναμη» για να περιγράψει αυτό που αργότερα θα ονομαζόταν σθένος. Ο Βρετανός χημικός καθόρισε πόσοχημικοί δεσμοί σχηματίζουν άτομα μεμονωμένων στοιχείων γνωστών στα μέσα του 19ου αιώνα. Το έργο του Φράνκλαντ ήταν μια σημαντική συμβολή στη σύγχρονη δομική χημεία.
Ανάπτυξη στάσεων
Γερμανός χημικός F. A. Ο Kekule απέδειξε το 1857 ότι ο άνθρακας είναι τετραβασικός. Στην πιο απλή του ένωση - το μεθάνιο - υπάρχουν δεσμοί με 4 άτομα υδρογόνου. Ο επιστήμονας χρησιμοποίησε τον όρο «βασικότητα» για να δηλώσει την ιδιότητα των στοιχείων να προσκολλούν έναν αυστηρά καθορισμένο αριθμό άλλων σωματιδίων. Στη Ρωσία, τα δεδομένα για τη δομή της ύλης συστηματοποιήθηκαν από τον A. M. Butlerov (1861). Η θεωρία των χημικών δεσμών έλαβε περαιτέρω ανάπτυξη χάρη στο δόγμα της περιοδικής αλλαγής στις ιδιότητες των στοιχείων. Συγγραφέας του είναι ένας άλλος εξαιρετικός Ρώσος χημικός, ο D. I. Mendeleev. Απέδειξε ότι το σθένος των χημικών στοιχείων στις ενώσεις και άλλες ιδιότητες οφείλονται στη θέση που κατέχουν στο περιοδικό σύστημα.
Γραφική αναπαράσταση σθένους και χημικού δεσμού
Η δυνατότητα οπτικής αναπαράστασης των μορίων είναι ένα από τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα της θεωρίας του σθένους. Τα πρώτα μοντέλα εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1860 και από το 1864 χρησιμοποιούνται δομικοί τύποι, οι οποίοι είναι κύκλοι με ένα χημικό σημάδι στο εσωτερικό. Μεταξύ των συμβόλων των ατόμων, μια παύλα υποδηλώνει έναν χημικό δεσμό και ο αριθμός αυτών των γραμμών είναι ίσος με την τιμή του σθένους. Τα ίδια χρόνια κατασκευάστηκαν τα πρώτα μοντέλα με μπαλάκι και ραβδί (βλ. φωτογραφία στα αριστερά). Το 1866, ο Kekule πρότεινε ένα στερεοχημικό σχέδιο του ατόμου.άνθρακα με τη μορφή τετραέδρου, το οποίο συμπεριέλαβε στο σχολικό του βιβλίο Οργανική Χημεία.
Το σθένος των χημικών στοιχείων και η εμφάνιση δεσμών μελετήθηκε από τον G. Lewis, ο οποίος δημοσίευσε τα έργα του το 1923 μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου. Αυτό είναι το όνομα των μικρότερων αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων που αποτελούν μέρος του κελύφους των ατόμων. Στο βιβλίο του, ο Lewis χρησιμοποίησε τις κουκκίδες γύρω από τις τέσσερις πλευρές του συμβόλου του χημικού στοιχείου για να αναπαραστήσει τα ηλεκτρόνια σθένους.
Σθένος για υδρογόνο και οξυγόνο
Πριν από τη δημιουργία του περιοδικού συστήματος, το σθένος των χημικών στοιχείων στις ενώσεις συγκρίνονταν συνήθως με εκείνα τα άτομα για τα οποία είναι γνωστό. Ως πρότυπα επιλέχθηκαν το υδρογόνο και το οξυγόνο. Ένα άλλο χημικό στοιχείο προσέλκυσε ή αντικατέστησε έναν ορισμένο αριθμό ατόμων Η και Ο.
Με αυτόν τον τρόπο, προσδιορίστηκαν οι ιδιότητες σε ενώσεις με μονοσθενές υδρογόνο (το σθένος του δεύτερου στοιχείου υποδεικνύεται με έναν λατινικό αριθμό):
- HCl - χλώριο (I):
- H2O - οξυγόνο (II);
- NH3 - άζωτο (III);
- CH4 - άνθρακας (IV).
Σε οξείδια K2O, N2O3, SiO 2, SO3 προσδιόρισε το σθένος του οξυγόνου των μετάλλων και των μη μετάλλων διπλασιάζοντας τον αριθμό των προστιθέμενων ατόμων Ο. Προέκυψαν οι ακόλουθες τιμές: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Πώς προσδιορίζεται το σθένος των χημικών στοιχείων
Υπάρχουν κανονικότητες στον σχηματισμό ενός χημικού δεσμού που περιλαμβάνει κοινό ηλεκτρονικόζευγάρια:
- Το τυπικό σθένος υδρογόνου είναι I.
- Συνήθη σθένος οξυγόνου - II.
- Για τα μη μεταλλικά στοιχεία, το χαμηλότερο σθένος μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο 8 - τον αριθμό της ομάδας στην οποία βρίσκονται στο περιοδικό σύστημα. Το υψηλότερο, αν είναι δυνατόν, καθορίζεται από τον αριθμό της ομάδας.
- Για στοιχεία δευτερευουσών υποομάδων, το μέγιστο δυνατό σθένος είναι το ίδιο με τον αριθμό της ομάδας τους στον περιοδικό πίνακα.
Ο προσδιορισμός του σθένους των χημικών στοιχείων σύμφωνα με τον τύπο της ένωσης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο αλγόριθμο:
- Γράψτε τη γνωστή τιμή για ένα από τα στοιχεία πάνω από το χημικό πρόσημο. Για παράδειγμα, στο Mn2O7 το σθένος οξυγόνου είναι II.
- Υπολογίστε τη συνολική τιμή, για την οποία πρέπει να πολλαπλασιάσετε το σθένος με τον αριθμό των ατόμων του ίδιου χημικού στοιχείου στο μόριο: 27=14.
- Προσδιορίστε το σθένος του δεύτερου στοιχείου για το οποίο είναι άγνωστο. Διαιρέστε την τιμή που λήφθηκε στο βήμα 2 με τον αριθμό των ατόμων Mn στο μόριο.
- 14: 2=7. Το σθένος του μαγγανίου στο υψηλότερο οξείδιο του είναι VII.
Σταθερό και μεταβλητό σθένος
Οι τιμές σθένους για το υδρογόνο και το οξυγόνο είναι διαφορετικές. Για παράδειγμα, το θείο στην ένωση H2S είναι δισθενές και στον τύπο SO3 είναι εξασθενές. Ο άνθρακας σχηματίζει μονοξείδιο CO και διοξείδιο CO2 με οξυγόνο. Στην πρώτη ένωση, το σθένος του C είναι II, και στη δεύτερη, IV. Ίδια τιμή στο μεθάνιο CH4.
Τα περισσότεραΤα στοιχεία δεν εμφανίζουν σταθερό, αλλά μεταβλητό σθένος, για παράδειγμα, φώσφορο, άζωτο, θείο. Η αναζήτηση των κύριων αιτιών αυτού του φαινομένου οδήγησε στην εμφάνιση θεωριών χημικών δεσμών, ιδεών για το κέλυφος σθένους των ηλεκτρονίων και μοριακών τροχιακών. Η ύπαρξη διαφορετικών τιμών της ίδιας ιδιότητας εξηγήθηκε από τη σκοπιά της δομής των ατόμων και των μορίων.
Σύγχρονες ιδέες για το σθένος
Όλα τα άτομα αποτελούνται από έναν θετικό πυρήνα που περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Το εξωτερικό κέλυφος που σχηματίζουν είναι ημιτελές. Η ολοκληρωμένη δομή είναι η πιο σταθερή, που περιέχει 8 ηλεκτρόνια (μια οκτάδα). Η εμφάνιση ενός χημικού δεσμού λόγω κοινών ζευγών ηλεκτρονίων οδηγεί σε μια ενεργειακά ευνοϊκή κατάσταση των ατόμων.
Ο κανόνας για τον σχηματισμό των ενώσεων είναι η ολοκλήρωση του κελύφους με την αποδοχή ηλεκτρονίων ή την παροχή ασύζευκτων - ανάλογα με το ποια διαδικασία είναι ευκολότερη. Εάν ένα άτομο προβλέπει το σχηματισμό αρνητικών σωματιδίων χημικού δεσμού που δεν έχουν ζεύγος, τότε σχηματίζει τόσους δεσμούς όσα έχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, το σθένος των ατόμων των χημικών στοιχείων είναι η ικανότητα σχηματισμού ενός συγκεκριμένου αριθμού ομοιοπολικών δεσμών. Για παράδειγμα, σε ένα μόριο υδρόθειου H2S, το θείο αποκτά σθένος II (–), αφού κάθε άτομο συμμετέχει στο σχηματισμό δύο ζευγών ηλεκτρονίων. Το σύμβολο «–» υποδηλώνει την έλξη ενός ζεύγους ηλεκτρονίων σε ένα πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο. Για ένα λιγότερο ηλεκτραρνητικό, το "+" προστίθεται στην τιμή σθένους.
Με τον μηχανισμό δότη-δέκτη, στη διαδικασία συμμετέχουν ζεύγη ηλεκτρονίων ενός στοιχείου και τροχιακά ελεύθερου σθένους ενός άλλου στοιχείου.
Εξάρτηση του σθένους από τη δομή του ατόμου
Ας δούμε το παράδειγμα του άνθρακα και του οξυγόνου, πώς το σθένος των χημικών στοιχείων εξαρτάται από τη δομή της ουσίας. Ο περιοδικός πίνακας δίνει μια ιδέα για τα κύρια χαρακτηριστικά του ατόμου άνθρακα:
- χημικό σημάδι - C;
- αριθμός στοιχείου - 6;
- βασική χρέωση - +6;
- πρωτόνια στον πυρήνα - 6;
- ηλεκτρόνια - 6, συμπεριλαμβανομένων 4 εξωτερικών, από τα οποία τα 2 σχηματίζουν ένα ζεύγος, τα 2 είναι ασύζευκτα.
Αν ένα άτομο άνθρακα σε μονοξείδιο του CO σχηματίζει δύο δεσμούς, τότε χρησιμοποιούνται μόνο 6 αρνητικά σωματίδια. Για να αποκτήσετε μια οκτάδα, είναι απαραίτητο τα ζεύγη να σχηματίσουν 4 εξωτερικά αρνητικά σωματίδια. Ο άνθρακας έχει σθένος IV (+) στο διοξείδιο και IV (-) στο μεθάνιο.
Ο τακτικός αριθμός οξυγόνου είναι 8, η στιβάδα σθένους αποτελείται από έξι ηλεκτρόνια, 2 από αυτά δεν σχηματίζουν ζεύγη και συμμετέχουν σε χημικούς δεσμούς και αλληλεπιδράσεις με άλλα άτομα. Ένα τυπικό σθένος οξυγόνου είναι II (–).
Σθένος και κατάσταση οξείδωσης
Σε πολλές περιπτώσεις είναι πιο βολικό να χρησιμοποιείται η έννοια της «κατάστασης οξείδωσης». Αυτό είναι το όνομα που δίνεται στο φορτίο ενός ατόμου που θα αποκτούσε εάν όλα τα συνδετικά ηλεκτρόνια μεταφέρονταν σε ένα στοιχείο που έχει υψηλότερη τιμή ηλεκτραρνητικότητας (EO). Ο αριθμός οξείδωσης σε μια απλή ουσία είναιμηδέν. Το πρόσημο «–» προστίθεται στην κατάσταση οξείδωσης του περισσότερου στοιχείου EO, το πρόσημο «+» προστίθεται στο λιγότερο ηλεκτραρνητικό. Για παράδειγμα, για τα μέταλλα των κύριων υποομάδων, οι καταστάσεις οξείδωσης και τα φορτία ιόντων είναι τυπικά, ίσα με τον αριθμό της ομάδας με πρόσημο «+». Στις περισσότερες περιπτώσεις, το σθένος και η κατάσταση οξείδωσης των ατόμων στην ίδια ένωση είναι αριθμητικά τα ίδια. Μόνο όταν αλληλεπιδρά με περισσότερα ηλεκτραρνητικά άτομα, η κατάσταση οξείδωσης είναι θετική, με στοιχεία στα οποία η EO είναι χαμηλότερη, είναι αρνητική. Η έννοια του «σθένους» εφαρμόζεται συχνά μόνο σε ουσίες μοριακής δομής.
