Mức độ hiểu biết về cấu trúc của nguyên tử và phân tử trong thế kỷ 19 không cho phép giải thích lý do tại sao nguyên tử hình thành một số liên kết nhất định với các hạt khác. Nhưng ý tưởng của các nhà khoa học đã đi trước thời đại, và giá trị vẫn đang được nghiên cứu như một trong những nguyên tắc cơ bản của hóa học.
Từ lịch sử của khái niệm "hóa trị của các nguyên tố hóa học"
Nhà hóa học xuất sắc người Anh của thế kỷ 19 Edward Frankland đã đưa thuật ngữ "liên kết" vào ứng dụng khoa học để mô tả quá trình tương tác của các nguyên tử với nhau. Nhà khoa học nhận thấy rằng một số nguyên tố hóa học tạo thành các hợp chất có cùng số nguyên tử khác. Ví dụ, nitơ gắn ba nguyên tử hydro trong phân tử amoniac.
Vào tháng 5 năm 1852, Frankland đưa ra giả thuyết rằng có một số lượng liên kết hóa học cụ thể mà một nguyên tử có thể hình thành với các hạt vật chất nhỏ bé khác. Frankland đã sử dụng cụm từ "lực lượng kết nối" để mô tả thứ mà sau này được gọi là tình trạng giá trị. Nhà hóa học người Anh đã xác định được bao nhiêuCác liên kết hóa học tạo thành nguyên tử của các nguyên tố riêng lẻ được biết đến vào giữa thế kỷ 19. Công trình của Frankland là một đóng góp quan trọng cho hóa học cấu trúc hiện đại.
Phát triển thái độ
Nhà hóa học người Đức F. A. Kekule đã chứng minh vào năm 1857 rằng carbon là một tetrabasic. Trong hợp chất đơn giản nhất của nó - metan - có các liên kết với 4 nguyên tử hydro. Nhà khoa học đã sử dụng thuật ngữ "tính cơ bản" để biểu thị đặc tính của các nguyên tố để gắn một số lượng các hạt khác được xác định chặt chẽ. Ở Nga, dữ liệu về cấu trúc của vật chất đã được A. M. Butlerov (1861) hệ thống hóa. Lý thuyết về liên kết hóa học được phát triển hơn nữa nhờ học thuyết về sự thay đổi tuần hoàn trong tính chất của các nguyên tố. Tác giả của nó là một nhà hóa học Nga kiệt xuất khác, D. I. Mendeleev. Ông đã chứng minh rằng hóa trị của các nguyên tố hóa học trong các hợp chất và các tính chất khác là do vị trí của chúng trong hệ thống tuần hoàn.
Biểu diễn đồ họa của hóa trị và liên kết hóa học
Khả năng biểu diễn trực quan của các phân tử là một trong những ưu điểm chắc chắn của lý thuyết về hóa trị. Các mô hình đầu tiên xuất hiện vào những năm 1860, và từ năm 1864 công thức cấu trúc đã được sử dụng, đó là những vòng tròn có ký hiệu hóa học bên trong. Giữa các ký hiệu của nguyên tử, một dấu gạch ngang biểu thị liên kết hóa học, và số lượng các vạch này bằng giá trị của hóa trị. Cũng trong những năm này, những mô hình bóng và gậy đầu tiên đã được tạo ra (xem ảnh bên trái). Năm 1866, Kekule đề xuất một bản vẽ lập thể của nguyên tử.cacbon ở dạng tứ diện, được ông đưa vào sách giáo khoa Hóa hữu cơ của mình.
Hóa trị của các nguyên tố hóa học và sự xuất hiện của các liên kết được nghiên cứu bởi G. Lewis, người đã xuất bản các công trình của mình vào năm 1923 sau khi phát hiện ra electron. Đây là tên của các hạt mang điện âm nhỏ nhất nằm trong lớp vỏ của nguyên tử. Trong cuốn sách của mình, Lewis đã sử dụng các dấu chấm xung quanh bốn cạnh của biểu tượng nguyên tố hóa học để biểu thị các electron hóa trị.
Hiệu lực của hydro và oxy
Trước khi tạo ra hệ thống tuần hoàn, hóa trị của các nguyên tố hóa học trong các hợp chất thường được so sánh với các nguyên tử mà nó đã biết. Hydro và oxy được chọn làm tiêu chuẩn. Một nguyên tố hóa học khác đã thu hút hoặc thay thế một số nguyên tử H và O.
Bằng cách này, các thuộc tính được xác định trong các hợp chất với hydro hóa trị một (hóa trị của nguyên tố thứ hai được biểu thị bằng chữ số La Mã):
- HCl - clo (I):
- H2O - oxy (II);
- NH3- nitơ (III);
- CH4- carbon (IV).
Trong oxit K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3xác định oxi hóa trị của kim loại và phi kim loại bằng cách tăng gấp đôi số nguyên tử O. đã thêm vào các giá trị sau: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Cách xác định hoá trị của các nguyên tố hoá học
Có những quy luật trong việc hình thành liên kết hóa học liên quan đến điện tử thông thườngcác cặp đôi:
- Hóa trị điển hình của hiđro là I.
- Hóa trị oxy thông thường - II.
- Đối với các nguyên tố phi kim loại, hóa trị thấp nhất có thể được xác định theo công thức 8 - số thứ tự của nhóm mà chúng nằm trong hệ thống tuần hoàn. Cao nhất, nếu có thể, được xác định bởi số nhóm.
- Đối với các nguyên tố thuộc phân nhóm phụ, hóa trị lớn nhất có thể bằng với số thứ tự của nhóm trong bảng tuần hoàn.
Việc xác định hóa trị của các nguyên tố hóa học theo công thức của hợp chất được thực hiện bằng thuật toán sau:
- Viết giá trị đã biết của một trong các nguyên tố trên dấu hiệu hóa học. Ví dụ, trong Mn2O7thì oxy hóa trị là II.
- Tính tổng giá trị mà bạn cần nhân hóa trị với số nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học trong phân tử: 27=14.
- Xác định hóa trị của nguyên tố thứ hai mà nó chưa biết. Chia giá trị thu được ở bước 2 cho số nguyên tử Mn trong phân tử.
- 14: 2=7. Hóa trị của mangan trong oxit cao hơn của nó là VII.
Giá trị không đổi và thay đổi
Giá trị hóa trị của hydro và oxy là khác nhau. Ví dụ, lưu huỳnh trong hợp chất H2S là hóa trị hai, và trong công thức SO3nó là hóa trị sáu. Carbon tạo thành monoxide CO và dioxide CO2với oxy. Trong hợp chất đầu tiên, hóa trị của C là II và trong hợp chất thứ hai là IV. Cùng giá trị trong mêtan CH4.
Nhấtcác nguyên tố không phải là một hằng số, mà là một hóa trị thay đổi, ví dụ, phốt pho, nitơ, lưu huỳnh. Việc tìm kiếm nguyên nhân chính của hiện tượng này đã dẫn đến sự xuất hiện của các lý thuyết liên kết hóa học, các ý tưởng về vỏ hóa trị của các electron và các obitan phân tử. Sự tồn tại của các giá trị khác nhau của cùng một thuộc tính được giải thích từ quan điểm của cấu trúc của nguyên tử và phân tử.
Ý tưởng hiện đại về lễ tình nhân
Tất cả các nguyên tử đều bao gồm một hạt nhân dương được bao quanh bởi các electron mang điện tích âm. Lớp vỏ bên ngoài mà chúng tạo thành còn dang dở. Cấu trúc đã hoàn thành là cấu trúc ổn định nhất, chứa 8 điện tử (một octet). Sự xuất hiện của liên kết hóa học do các cặp electron chung dẫn đến trạng thái thuận lợi về mặt năng lượng của nguyên tử.
Quy tắc hình thành các hợp chất là việc hoàn thành lớp vỏ bằng cách nhận các electron hoặc cho đi các electron chưa ghép đôi - tùy thuộc vào quá trình nào dễ dàng hơn. Nếu một nguyên tử cung cấp cho sự hình thành của một liên kết hóa học các hạt âm không có cặp, thì nó tạo thành càng nhiều liên kết mà nó có các điện tử chưa ghép đôi. Theo quan niệm hiện đại, hóa trị của nguyên tử các nguyên tố hóa học là khả năng hình thành một số liên kết cộng hóa trị nhất định. Ví dụ, trong phân tử hydro sunfua H2S, lưu huỳnh có hóa trị II (-), vì mỗi nguyên tử tham gia vào việc hình thành hai cặp điện tử. Dấu “-” biểu thị lực hút của một cặp electron đối với một nguyên tố có độ âm điện lớn hơn. Đối với giá trị âm điện nhỏ hơn, “+” được thêm vào giá trị hóa trị.
Với cơ chế cho-nhận, các cặp electron của một nguyên tố và các obitan hóa trị tự do của nguyên tố khác tham gia vào quá trình này.
Sự phụ thuộc của hóa trị vào cấu trúc của nguyên tử
Hãy xem ví dụ về cacbon và oxi, hóa trị của các nguyên tố hóa học phụ thuộc vào cấu trúc của chất như thế nào. Bảng tuần hoàn cung cấp ý tưởng về các đặc điểm chính của nguyên tử cacbon:
- dấu hiệu hóa học - C;
- số phần tử - 6;
- phí lõi - +6;
- proton trong hạt nhân - 6;
- electron - 6, bao gồm 4 electron bên ngoài, trong đó 2 electron tạo thành một cặp, 2 electron không ghép đôi.
Nếu một nguyên tử cacbon trong CO monoxide tạo thành hai liên kết, thì chỉ có 6 hạt âm được sử dụng. Để có được một octet, điều cần thiết là các cặp tạo thành 4 hạt âm bên ngoài. Cacbon có hóa trị IV (+) trong dioxit và IV (-) trong metan.
Số thứ tự của oxi là 8, lớp vỏ hóa trị gồm 6 electron, trong đó có 2 electron không tạo thành cặp và tham gia liên kết hóa học và tương tác với các nguyên tử khác. Hóa trị oxy điển hình là II (-).
Trạng thái oxy hóa và hóa trị
Trong nhiều trường hợp, sử dụng khái niệm "trạng thái oxy hóa" sẽ thuận tiện hơn. Đây là tên được đặt cho điện tích của một nguyên tử mà nó sẽ nhận được nếu tất cả các electron liên kết được chuyển sang một nguyên tố có giá trị độ âm điện (EO) cao hơn. Số oxi hóa trong một chất đơn giản làsố không. Dấu “-” được thêm vào trạng thái oxi hóa của nguyên tố EO nhiều hơn, dấu “+” được thêm vào trạng thái có độ âm điện nhỏ hơn. Ví dụ, đối với các kim loại thuộc phân nhóm chính, trạng thái oxi hóa và điện tích ion là đặc trưng, bằng số nhóm với dấu “+”. Trong hầu hết các trường hợp, trạng thái hóa trị và số oxi hóa của các nguyên tử trong cùng một hợp chất là giống nhau về mặt số học. Chỉ khi tương tác với các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì trạng thái oxi hóa là dương, với các nguyên tố có EO thấp hơn thì trạng thái oxi hóa là dương. Khái niệm "hóa trị" thường chỉ được áp dụng cho các chất có cấu trúc phân tử.
