El nivel de conocimiento sobre la estructura de los átomos y las moléculas en el siglo XIX no permitía explicar por qué los átomos forman cierto número de enlaces con otras partículas. Pero las ideas de los científicos se adelantaron a su tiempo, y la valencia todavía se estudia como uno de los principios básicos de la química.
De la historia del concepto de "valencia de los elementos químicos"
El destacado químico inglés del siglo XIX Edward Frankland introdujo el término "enlace" en el uso científico para describir el proceso de interacción de los átomos entre sí. El científico notó que algunos elementos químicos forman compuestos con la misma cantidad de otros átomos. Por ejemplo, el nitrógeno une tres átomos de hidrógeno en la molécula de amoníaco.
En mayo de 1852, Frankland planteó la hipótesis de que había un número específico de enlaces químicos que un átomo podía formar con otras partículas diminutas de materia. Frankland usó la frase "fuerza de conexión" para describir lo que luego se llamaría valencia. El químico británico determinó cuántoLos enlaces químicos forman átomos de elementos individuales conocidos a mediados del siglo XIX. El trabajo de Frankland fue una importante contribución a la química estructural moderna.
Desarrollo de actitudes
Químico alemán F. A. Kekule demostró en 1857 que el carbono es tetrabásico. En su compuesto más simple, el metano, hay enlaces con 4 átomos de hidrógeno. El científico usó el término "basicidad" para denotar la propiedad de los elementos de unirse a un número estrictamente definido de otras partículas. En Rusia, los datos sobre la estructura de la materia fueron sistematizados por A. M. Butlerov (1861). La teoría del enlace químico recibió un mayor desarrollo gracias a la doctrina del cambio periódico en las propiedades de los elementos. Su autor es otro destacado químico ruso, D. I. Mendeleev. Demostró que la valencia de los elementos químicos en los compuestos y otras propiedades se deben a la posición que ocupan en el sistema periódico.
Representación gráfica de valencia y enlace químico
La posibilidad de una representación visual de las moléculas es una de las ventajas indudables de la teoría de la valencia. Los primeros modelos aparecieron en la década de 1860, y desde 1864 se utilizan fórmulas estructurales, que son círculos con un signo químico en su interior. Entre los símbolos de los átomos, un guión indica un enlace químico, y el número de estas líneas es igual al valor de la valencia. En los mismos años, se fabricaron los primeros modelos de bola y palo (ver foto a la izquierda). En 1866, Kekule propuso un dibujo estereoquímico del átomo.carbono en forma de tetraedro, que incluyó en su libro de texto Química orgánica.
La valencia de los elementos químicos y la aparición de enlaces fue estudiada por G. Lewis, quien publicó sus trabajos en 1923 tras el descubrimiento del electrón. Este es el nombre de las partículas cargadas negativamente más pequeñas que forman parte de las capas de los átomos. En su libro, Lewis usó los puntos alrededor de los cuatro lados del símbolo del elemento químico para representar los electrones de valencia.
Valencia del hidrógeno y el oxígeno
Antes de la creación del sistema periódico, la valencia de los elementos químicos en los compuestos generalmente se comparaba con aquellos átomos por los que se conoce. Se eligieron hidrógeno y oxígeno como patrones. Otro elemento químico atrajo o reemplazó un cierto número de átomos de H y O.
De esta forma se determinaron las propiedades en compuestos con hidrógeno monovalente (la valencia del segundo elemento se indica con un número romano):
- HCl - cloro (I):
- H2O - oxígeno (II);
- NH3 - nitrógeno (III);
- CH4 - carbono (IV).
En óxidos K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 determinaron la valencia de oxígeno de los metales y no metales al duplicar el número de átomos de O agregados. Se obtuvieron los siguientes valores: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Cómo determinar la valencia de los elementos químicos
Hay regularidades en la formación de un enlace químico que involucran componentes electrónicos comunesparejas:
- La valencia típica del hidrógeno es I.
- Valencia de oxígeno habitual - II.
- Para los elementos no metálicos, la valencia más baja se puede determinar mediante la fórmula 8: el número del grupo en el que se encuentran en el sistema periódico. El más alto, si es posible, está determinado por el número de grupo.
- Para elementos de subgrupos secundarios, la máxima valencia posible es la misma que su número de grupo en la tabla periódica.
La determinación de la valencia de los elementos químicos según la fórmula del compuesto se lleva a cabo utilizando el siguiente algoritmo:
- Escribe el valor conocido de uno de los elementos arriba del signo químico. Por ejemplo, en Mn2O7 la valencia del oxígeno es II.
- Calcula el valor total, para lo cual necesitas multiplicar la valencia por el número de átomos del mismo elemento químico en la molécula: 27=14.
- Determina la valencia del segundo elemento para el que se desconoce. Divida el valor obtenido en el paso 2 por el número de átomos de Mn en la molécula.
- 14: 2=7. La valencia del manganeso en su óxido superior es VII.
Valencia constante y variable
Los valores de valencia para el hidrógeno y el oxígeno son diferentes. Por ejemplo, el azufre en el compuesto H2S es bivalente, y en la fórmula SO3 es hexavalente. El carbono forma monóxido de CO y dióxido de CO2 con oxígeno. En el primer compuesto, la valencia de C es II, y en el segundo, IV. Mismo valor en metano CH4.
La mayoríaLos elementos no exhiben una valencia constante, sino variable, por ejemplo, fósforo, nitrógeno, azufre. La búsqueda de las principales causas de este fenómeno condujo al surgimiento de teorías de enlaces químicos, ideas sobre la capa de valencia de los electrones y los orbitales moleculares. La existencia de diferentes valores de una misma propiedad se explicó desde el punto de vista de la estructura de los átomos y moléculas.
Ideas modernas sobre valencia
Todos los átomos consisten en un núcleo positivo rodeado de electrones cargados negativamente. La capa exterior que forman está sin terminar. La estructura completa es la más estable y contiene 8 electrones (un octeto). La aparición de un enlace químico debido a pares de electrones comunes conduce a un estado energéticamente favorable de los átomos.
La regla para la formación de compuestos es completar la capa aceptando electrones o regalando electrones no apareados, dependiendo de qué proceso sea más fácil. Si un átomo prevé la formación de un enlace químico de partículas negativas que no tienen un par, entonces forma tantos enlaces como electrones no apareados tiene. Según los conceptos modernos, la valencia de los átomos de los elementos químicos es la capacidad de formar un cierto número de enlaces covalentes. Por ejemplo, en una molécula de sulfuro de hidrógeno H2S, el azufre adquiere valencia II (–), ya que cada átomo participa en la formación de dos pares de electrones. El signo “–” indica la atracción de un par de electrones hacia un elemento más electronegativo. Para uno menos electronegativo, se suma “+” al valor de valencia.
Con el mecanismo donador-aceptor, los pares de electrones de un elemento y los orbitales de valencia libres de otro elemento participan en el proceso.
Dependencia de la valencia en la estructura del átomo
Veamos el ejemplo del carbono y el oxígeno, cómo la valencia de los elementos químicos depende de la estructura de la sustancia. La tabla periódica da una idea de las principales características del átomo de carbono:
- signo químico - C;
- número de elemento - 6;
- carga básica - +6;
- protones en el núcleo - 6;
- electrones - 6, incluidos 4 externos, de los cuales 2 forman un par, 2 no están apareados.
Si un átomo de carbono en el monóxido de CO forma dos enlaces, entonces solo se utilizan 6 partículas negativas. Para adquirir un octeto, es necesario que los pares formen 4 partículas negativas externas. El carbono tiene valencia IV (+) en dióxido y IV (–) en metano.
El número ordinal del oxígeno es 8, la capa de valencia consta de seis electrones, 2 de ellos no forman pares y participan en enlaces químicos e interacciones con otros átomos. Una valencia típica del oxígeno es II (–).
Valencia y estado de oxidación
En muchos casos es más conveniente utilizar el concepto de "estado de oxidación". Este es el nombre que se le da a la carga de un átomo que adquiriría si todos los electrones de enlace fueran transferidos a un elemento que tiene un mayor valor de electronegatividad (EO). El número de oxidación de una sustancia simple escero. El signo “–” se suma al estado de oxidación del elemento más EO, el signo “+” se suma al menos electronegativo. Por ejemplo, para los metales de los principales subgrupos, los estados de oxidación y las cargas iónicas son típicos, igual al número del grupo con un signo "+". En la mayoría de los casos, la valencia y el estado de oxidación de los átomos en el mismo compuesto son numéricamente iguales. Solo al interactuar con átomos más electronegativos, el estado de oxidación es positivo, con elementos en los que el EO es menor, es negativo. El concepto de "valencia" a menudo se aplica solo a sustancias de estructura molecular.
