В химии , то валентность или валентность из элемента является мерой его способности комбинирования с другими атомами , когда она образует химические соединения или молекулу .
Описание
Комбинирующая способность или сродство атома данного элемента определяется числом атомов водорода, с которыми он соединяется. В метане углерод имеет валентность 4; в аммиаке азот имеет валентность 3; в воде кислород имеет валентность 2; а в хлористом водороде хлор имеет валентность 1. Хлор, поскольку он имеет валентность, равную единице, может быть заменен на водород. Фосфор имеет валентность 5 в пентахлориде фосфора PCl 5 . Диаграммы валентности соединения представляют связь элементов с линиями, проведенными между двумя элементами, иногда называемыми связями, представляющими насыщенную валентность для каждого элемента. [1] В двух таблицах ниже показаны некоторые примеры различных соединений, их диаграммы валентности и валентности для каждого элемента соединения.
Сложный | H 2 Водород | CH 4 Метан | C 3 H 8 Пропан | C 2 H 2 ацетилен |
---|---|---|---|---|
Диаграмма | ||||
Валентности |
|
|
|
|
Сложный | NH 3 Аммиак | NaCN цианистый натрий | H 2 S сероводород | H 2 SO 4 Серная кислота | Cl 2 O 7 Гептоксид дихлора |
---|---|---|---|---|---|
Диаграмма | |||||
Валентности |
|
|
|
|
|
Современные определения
Валентность определяется IUPAC как: [2]
- Максимальное количество одновалентных атомов (первоначально атомов водорода или хлора), которые могут объединяться с атомом рассматриваемого элемента, или с фрагментом, или для которых атом этого элемента может быть замещен.
Альтернативное современное описание: [3]
- Число атомов водорода, которые могут соединяться с элементом в бинарном гидриде, или удвоенное число атомов кислорода, соединяющихся с элементом в его оксиде или оксидах.
Это определение отличается от определения IUPAC, поскольку можно сказать, что элемент имеет более одной валентности.
Очень похожее современное определение, данное в недавней статье, определяет валентность конкретного атома в молекуле как «количество электронов, которые атом использует для связывания», с двумя эквивалентными формулами для вычисления валентности: [4]
- валентность = количество электронов в валентной оболочке свободного атома - количество несвязывающих электронов на атоме в молекуле ,
а также
- валентность = количество облигаций + формальный заряд .
Историческое развитие
Этимологии из слов валентности (множественное число валентностей ) и валентности (множественное число валентностей ) восходит к 1425 году , что означает «экстракт, препарат», от латинского Валентии «сила, способность», от ранее доблесть «стоит, значение», так и химические вещества значение, относящееся к «объединяющей силе элемента», записано с 1884 года в немецком Валенце . [5]
Концепция валентности была разработана во второй половине 19 века и помогла успешно объяснить молекулярную структуру неорганических и органических соединений. [1] Поиск основных причин валентности привел к современным теориям химической связи, включая кубический атом (1902 г.), структуры Льюиса (1916 г.), теорию валентных связей (1927 г.), молекулярные орбитали (1928 г.), электрон валентной оболочки. теория парного отталкивания (1958) и все передовые методы квантовой химии .
В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал взгляды на то, что он называл комбинациями «предельных» частиц, которые предвосхитили концепцию валентных связей . [6] Если, например, согласно Хиггинсу, сила между конечной частицей кислорода и конечной частицей азота составляла 6, то сила силы была бы соответственно разделена, и аналогично для других комбинаций конечных частиц ( см. иллюстрацию).
Однако точное начало теории химических валентностей можно проследить до работы Эдварда Франкленда 1852 года , в которой он объединил старую радикальную теорию с мыслями о химическом сродстве, чтобы показать, что определенные элементы имеют тенденцию соединяться с другими элементами, чтобы образуют соединения, содержащие 3, т. е. в группах с 3 атомами (например, NO 3 , NH 3 , NI 3 и т.д.) или 5, т. е. в группах с 5 атомами (например, NO 5 , NH 4 O, PO 5 и др.), Эквиваленты присоединяемых элементов. По его словам, это способ наилучшего удовлетворения их родства, и, следуя этим примерам и постулатам, он заявляет, насколько очевидно, что это [7]
Тенденция или закон преобладает (здесь), и что, независимо от характера объединяющих атомов, объединяющая сила притягивающего элемента, если мне позволят термин, всегда удовлетворяется одним и тем же числом этих атомов. .
Эта «объединяющая сила» была впоследствии названа квантивалентностью или валентностью (и валентностью американские химики). [6] В 1857 году Август Кекуле предложил фиксированные валентности для многих элементов, таких как 4 для углерода, и использовал их, чтобы предложить структурные формулы для многих органических молекул, которые до сих пор приняты.
Большинство химиков 19-го века определяли валентность элемента как количество его связей, не различая различных типов валентности или связи. Однако в 1893 году Альфред Вернер описал координационные комплексы переходных металлов, такие как [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 , в которых он выделил главную и вспомогательную валентности (нем. «Hauptvalenz» и «Nebenvalenz»), соответствующие современным представлениям о степень окисления и координационное число соответственно.
Для элементов основной группы в 1904 году Ричард Абегг рассмотрел положительные и отрицательные валентности (максимальное и минимальное состояния окисления) и предложил правило Абегга, согласно которому их разница часто равна 8.
Электроны и валентность
Модель Резерфорда ядерного атома (1911) показала , что внешний вид атома занимают электроны , что свидетельствует , что электроны ответственны за взаимодействие атомов и образование химических связей. В 1916 году Гилберт Н. Льюис объяснил валентность и химическую связь в терминах тенденции атомов (основной группы) к достижению стабильного октета из 8 электронов валентной оболочки. Согласно Льюису, ковалентная связь приводит к октетам за счет разделения электронов, а ионная связь приводит к октетам за счет передачи электронов от одного атома к другому. Термин «ковалентность» приписывается Ирвингу Ленгмюру , который в 1919 году заявил, что «количество пар электронов, которые любой данный атом делит с соседними атомами, называется ковалентностью этого атома». [8] Префикс co- означает «вместе», так что ковалентная связь означает, что атомы имеют общую валентность. После этого теперь чаще говорят о ковалентных связях, а не о валентности , которая вышла из употребления в высокоуровневых исследованиях из-за достижений теории химической связи, но все еще широко используется в элементарных исследованиях, где он обеспечивает эвристическое введение в предмет.
В 1930-х годах Линус Полинг предположил, что существуют также полярные ковалентные связи , которые занимают промежуточное положение между ковалентными и ионными, и что степень ионного характера зависит от разницы электроотрицательностей двух связанных атомов.
Полинг также рассматривал гипервалентные молекулы , в которых элементы основной группы имеют кажущуюся валентность больше, чем максимальное значение из 4, разрешенное правилом октетов. Например, в молекуле гексафторида серы (SF 6 ) Полинг считал, что сера образует 6 истинных двухэлектронных связей с использованием гибридных атомных орбиталей sp 3 d 2 , которые объединяют одну s, три p и две d орбитали. Однако совсем недавно квантово-механические расчеты этой и подобных молекул показали, что роль d-орбиталей в связывании минимальна, и что молекула SF 6 должна быть описана как имеющая 6 полярных ковалентных (частично ионных) связей, образованных всего из четырех орбитали на сере (одна s и три p) в соответствии с правилом октетов вместе с шестью орбиталями на фторах. [9] Подобные расчеты на молекулах переходных металлов показывают, что роль p-орбиталей незначительна, поэтому для описания связи достаточно одной s и пяти d-орбиталей на металле. [10]
Общие валентности
Для элементов в основных группах в периодической таблице , валентность может варьироваться от 1 до 7.
Группа | Валентность 1 | Валентность 2 | Валентность 3 | Валентность 4 | Валентность 5 | Валентность 6 | Валентность 7 | Типичные валентности |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 (I) | NaCl | 1 | ||||||
2 (II) | MgCl 2 | 2 | ||||||
13 (III) | BCl 3 AlCl 3 Al 2 O 3 | 3 | ||||||
14 (IV) | CO | CH 4 | 4 | |||||
15 (В) | НЕТ | NH 3 PH 3 As 2 O 3 | НЕТ 2 | N 2 O 5 PCl 5 | 3 и 5 | |||
16 (VI) | H 2 O H 2 S | SO 2 | SO 3 | 2 и 6 | ||||
17 (VII) | HCl | HClO 2 | ClO 2 | HClO 3 | Cl 2 O 7 | 1 и 7 |
Многие элементы имеют общую валентность, связанную с их положением в периодической таблице, и в настоящее время это объясняется правилом октетов . Префиксы греческих / латинских цифр (моно- / уни-, ди- / би-, три- / тер- и т. Д.) Используются для описания ионов в зарядовых состояниях 1, 2, 3 и т. Д. Соответственно. Поливалентность или многовалентность относятся к видам , которые не ограничены определенным числом валентных связей . Однозарядные виды одновалентны (одновалентны). Например, катион Cs + является одновалентным или одновалентным катионом, тогда как катион Ca 2+ является двухвалентным катионом, а катион Fe 3+ является трехвалентным катионом. В отличие от Cs и Ca, Fe также может существовать в других зарядовых состояниях, особенно 2+ и 4+, и поэтому известен как многовалентный (поливалентный) ион. [11] Переходные металлы и металлы справа обычно многовалентны, но не существует простой схемы, предсказывающей их валентность. [12]
Валентность | Более распространенное прилагательное ‡ | Менее распространенное синонимическое прилагательное ‡ § |
---|---|---|
0-валентный | нулевой валент | не валентный |
1-валентный | одновалентный | однозначный |
2-валентный | двухвалентный | двухвалентный |
3-валентный | трехвалентный | трехвалентный |
4-валентный | четырехвалентный | четырехвалентный |
5-валентный | пятивалентный | пятивалентный / квинквивалентный |
6-валентный | шестивалентный | сексуальный |
7-валентный | семивалентный | семилалентный |
8-валентный | октавалентный | - |
9-валентный | нелюбимый | - |
10-валентный | декавалентный | - |
несколько / много / переменная | поливалентный | многовалентный |
все вместе | ковалентный | - |
не вместе | нековалентный | - |
† Те же прилагательные также используются в медицине для обозначения валентности вакцины, с той небольшой разницей, что в последнем смысле квадри- более распространен, чем тетра- .
‡ Судя по количеству посещений в веб-поиске Google и поисковой системе Google Книг (по состоянию на 2017 г.).
§ Некоторые другие формы можно найти в больших англоязычных корпусах (например, * пятивалентный, * пятивалентный, * десятивалентный ), но они не являются общепринятыми формами английского языка и поэтому не входят в основные словари.
Валентность в зависимости от степени окисления
Из-за неоднозначности термина валентность [13] в настоящее время предпочтительны другие обозначения. Помимо системы чисел окисления , использованные в фондовой номенклатуре для координационных соединений , [14] и лямбда обозначения, используемые в IUPAC номенклатуре неорганической химии , [15] Степень окисления является более четким указанием электронного состояния атомов в молекула.
Степень окисления атома в молекуле дает количество валентных электронов, которые он получил или потерял. [16] В отличие от числа валентности, степень окисления может быть положительной (для электроположительного атома) или отрицательной (для электроотрицательного атома).
Элементы с высокой степенью окисления могут иметь валентность выше четырех. Например, в перхлоратах хлор имеет семь валентных связей; рутений в степени окисления +8 в четырехокиси рутения имеет восемь валентных связей.
Примеры
Сложный | Формула | Валентность | Состояние окисления |
---|---|---|---|
Хлористый водород | HCl | H = 1 Cl = 1 | H = +1 Cl = -1 |
Хлорная кислота * | HClO 4 | H = 1 Cl = 7 O = 2 | H = +1 Cl = +7 O = −2 |
Гидрид натрия | Неа | Na = 1 H = 1 | Na = +1 H = -1 |
Закись железа ** | FeO | Fe = 2 O = 2 | Fe = +2 O = −2 |
Оксид железа ** | Fe 2 O 3 | Fe = 3 O = 2 | Fe = +3 O = −2 |
* Одивалентный перхлорат-ион ( ClO-
4) имеет валентность 1.
** Оксид железа присутствует в кристаллической структуре , поэтому типичная молекула не может быть идентифицирована.
В закиси железа Fe имеет степень окисления II, в оксиде железа - степень окисления III.
Сложный | Формула | Валентность | Состояние окисления |
---|---|---|---|
Хлор | Cl 2 | Cl = 1 | Cl = 0 |
Пероксид водорода | Н 2 О 2 | Н = 1 О = 2 | H = +1 O = -1 |
Ацетилен | С 2 Н 2 | С = 4 Н = 1 | С = -1 H = +1 |
Хлорид ртути (I) | Hg 2 Cl 2 | Hg = 2 Cl = 1 | Hg = +1 Cl = -1 |
Валентности также могут отличаться от абсолютных значений степеней окисления из-за разной полярности связей. Например, в дихлорметане , CH 2 Cl 2 , углерод имеет валентность 4, но степень окисления 0.
Определение «Максимальное количество облигаций»
Франкланд придерживался мнения, что валентность (он использовал термин «атомарность») элемента - это единственное значение, которое соответствует максимальному наблюдаемому значению. Число неиспользуемых валентностей на атомах того, что сейчас называется p-блочными элементами, как правило, одинаково, и Франкланд предположил, что неиспользованные валентности насыщают друг друга. Например, азот имеет максимальную валентность 5, при образовании аммиака две валентности остаются несвязанными; сера имеет максимальную валентность 6, при образовании сероводорода четыре валентности не присоединяются. [17] [18]
Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) сделал несколько попыток , чтобы прийти к однозначному определению валентности. Текущая версия, принятая в 1994 г .: [19]
- Максимальное количество одновалентных атомов (первоначально атомов водорода или хлора), которые могут объединяться с атомом рассматриваемого элемента или с фрагментом, или для которых атом этого элемента может быть замещен. [2]
Первоначально водород и хлор использовались в качестве примеров одновалентных атомов, поскольку по их природе образуется только одна одинарная связь. Водород имеет только один валентный электрон и может образовывать только одну связь с атомом, имеющим неполную внешнюю оболочку . Хлор имеет семь валентных электронов и может образовывать только одну связь с атомом, который отдает валентный электрон для завершения внешней оболочки хлора. Однако хлор также может иметь степень окисления от +1 до +7 и может образовывать более одной связи, отдавая валентные электроны .
Водород имеет только один валентный электрон, но он может образовывать связи более чем с одним атомом. В бифторид- ионе ( [HF
2]-
), например, он образует трехцентровую четырехэлектронную связь с двумя атомами фторида:
- [F – HF - ↔ F - H – F]
Другой пример - трехцентровая двухэлектронная связь в диборане (B 2 H 6 ).
Максимальные валентности элементов
Максимальные валентности элементов основаны на данных из списка степеней окисления элементов .
v т е Максимальные валентности элементов | |||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||||
Группа → | |||||||||||||||||||||
↓ Период | |||||||||||||||||||||
1 | 1 ЧАС | 2 Он | |||||||||||||||||||
2 | 3 Ли | 4 Быть | 5 B | 6 C | 7 N | 8 О | 9 F | 10 Ne | |||||||||||||
3 | 11 Na | 12 Mg | 13 Al | 14 Si | 15 п | 16 S | 17 Cl | 18 Ar | |||||||||||||
4 | 19 K | 20 Ca | 21 год Sc | 22 Ti | 23 V | 24 Cr | 25 Mn | 26 год Fe | 27 Co | 28 год Ni | 29 Cu | 30 Zn | 31 год Ga | 32 Ge | 33 В виде | 34 Se | 35 год Br | 36 Kr | |||
5 | 37 Руб. | 38 Sr | 39 Y | 40 Zr | 41 год Nb | 42 Пн | 43 год Tc | 44 год RU | 45 Rh | 46 Pd | 47 Ag | 48 CD | 49 В | 50 Sn | 51 Sb | 52 Te | 53 я | 54 Xe | |||
6 | 55 CS | 56 Ба | 71 Лу | 72 Hf | 73 Та | 74 W | 75 Re | 76 Операционные системы | 77 Ir | 78 Pt | 79 Au | 80 Hg | 81 год Tl | 82 Pb | 83 Би | 84 По | 85 В | 86 Rn | |||
7 | 87 Пт | 88 Ра | 103 Lr | 104 Rf | 105 Db | 106 Sg | 107 Bh | 108 Hs | 109 Mt | 110 Ds | 111 Rg | 112 Cn | 113 Nh | 114 Fl | 115 Mc | 116 Ур. | 117 Ц | 118 Og | |||
57 год Ла | 58 Ce | 59 Pr | 60 Nd | 61 Вечера | 62 См | 63 Евросоюз | 64 Б-г | 65 Tb | 66 Dy | 67 Хо | 68 Э | 69 Тм | 70 Yb | ||||||||
89 Ac | 90 Чт | 91 Па | 92 U | 93 Np | 94 Пу | 95 Являюсь | 96 См | 97 Bk | 98 Cf | 99 Es | 100 FM | 101 Мкр | 102 Нет | ||||||||
Максимальные валентности основаны на Списке степеней окисления элементов. | |||||||||||||||||||||
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Неизвестный Цвет фона показывает максимальную валентность химического элемента. Первозданный От распада Синтетический Граница показывает естественное появление элемента |
Смотрите также
- Правило Абегга
- Состояние окисления
Рекомендации
- ^ a b Партингтон, Джеймс Риддик (1921). Учебник неорганической химии для студентов вузов (1-е изд.). ПР 7221486М .
- ^ a b Определение Золотой книги ИЮПАК : валентность
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Паркин, Жерар (май 2006 г.). «Валентность, окислительное число и формальный заряд: три связанных, но фундаментально разных концепции». Журнал химического образования . 83 (5): 791. DOI : 10.1021 / ed083p791 . ISSN 0021-9584 .
- ^ Харпер, Дуглас. «валентность» . Интернет-словарь этимологии .
- ^ а б Партингтон, младший (1989). Краткая история химии . ISBN Dover Publications, Inc. 0-486-65977-1.
- ^ Франкленд, Э. (1852). «О новой серии органических тел, содержащих металлы». Философские труды Лондонского королевского общества . 142 : 417–444. DOI : 10,1098 / rstl.1852.0020 . S2CID 186210604 .
- ^ Ленгмюр, Ирвинг (1919). «Расположение электронов в атомах и молекулах» . Журнал Американского химического общества . 41 (6): 868–934. DOI : 10.1021 / ja02227a002 .
- ^ Магнуссон, Эрик (1990). «Гиперкоординированные молекулы элементов второго ряда: d-функции или d-орбитали?». Варенье. Chem. Soc . 112 (22): 7940–7951. DOI : 10.1021 / ja00178a014 .
- ^ Френкинг, Гернот; Шайк, Сэсон, ред. (Май 2014 г.). «Глава 7: Химическая связь в соединениях переходных металлов». Химическая связь: химическая связь через периодическую таблицу . Wiley - ВЧ. ISBN 978-3-527-33315-8.
- ^ Merriam-Webster , Полный словарь Merriam-Webster, Merriam-Webster.
- ^ «Урок 7: Ионы и их имена» . Общественный колледж Клакамас . Проверено 5 февраля 2019 .
- ^ Свободный словарь: валентность
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Окислительное число ». DOI : 10,1351 / goldbook.O04363
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « Лямбда ». DOI : 10,1351 / goldbook.L03418
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Состояние окисления ». DOI : 10,1351 / goldbook.O04365
- ^ Франкленд, Э. (1870). Конспект лекций для студентов-химиков (электронная книга Google) (2-е изд.). Дж. Ван Ворст. п. 21.
- ^ Франкленд, Э .; Джепп, FR (1885). Неорганическая химия (1-е изд.). С. 75–85. ПР 6994182М .
- ^ Мюллер, П. (1994). «Глоссарий терминов, используемых в физической органической химии (Рекомендации IUPAC 1994)». Чистая и прикладная химия . 66 (5): 1077–1184. DOI : 10,1351 / pac199466051077 .