Le niveau de connaissance de la structure des atomes et des molécules au XIXe siècle ne permettait pas d'expliquer pourquoi les atomes forment un certain nombre de liaisons avec d'autres particules. Mais les idées des scientifiques étaient en avance sur leur temps, et la valence est toujours étudiée comme l'un des principes de base de la chimie.
De l'histoire du concept de "valence des éléments chimiques"
L'éminent chimiste anglais du 19ème siècle Edward Frankland a introduit le terme "lien" dans l'usage scientifique pour décrire le processus d'interaction des atomes les uns avec les autres. Le scientifique a remarqué que certains éléments chimiques forment des composés avec le même nombre d'autres atomes. Par exemple, l'azote attache trois atomes d'hydrogène dans la molécule d'ammoniac.
En mai 1852, Frankland a émis l'hypothèse qu'il existait un nombre spécifique de liaisons chimiques qu'un atome pouvait former avec d'autres minuscules particules de matière. Frankland a utilisé l'expression «force de connexion» pour décrire ce qui serait plus tard appelé la valence. Le chimiste britannique a déterminé combienles liaisons chimiques forment des atomes d'éléments individuels connus au milieu du 19e siècle. Le travail de Frankland a été une contribution importante à la chimie structurale moderne.
Développer des attitudes
Le chimiste allemand F. A. Kekule a prouvé en 1857 que le carbone est un carbone tétrabasique. Dans son composé le plus simple - le méthane - il existe des liaisons à 4 atomes d'hydrogène. Le scientifique a utilisé le terme "basicité" pour désigner la propriété des éléments à attacher un nombre strictement défini d'autres particules. En Russie, les données sur la structure de la matière ont été systématisées par A. M. Butlerov (1861). La théorie de la liaison chimique a été développée grâce à la doctrine du changement périodique des propriétés des éléments. Son auteur est un autre chimiste russe exceptionnel, D. I. Mendeleev. Il a prouvé que la valence des éléments chimiques dans les composés et d'autres propriétés sont dues à la position qu'ils occupent dans le système périodique.
Représentation graphique de la valence et de la liaison chimique
La possibilité d'une représentation visuelle des molécules est l'un des avantages incontestables de la théorie de la valence. Les premiers modèles sont apparus dans les années 1860 et depuis 1864, des formules structurelles sont utilisées, qui sont des cercles avec un signe chimique à l'intérieur. Entre les symboles des atomes, un tiret indique une liaison chimique, et le nombre de ces lignes est égal à la valeur de la valence. Dans les mêmes années, les premiers modèles boule-et-bâton sont fabriqués (voir photo à gauche). En 1866, Kekule proposa un dessin stéréochimique de l'atome.carbone sous la forme d'un tétraèdre, qu'il a inclus dans son manuel de chimie organique.
La valence des éléments chimiques et l'émergence de liaisons ont été étudiées par G. Lewis, qui a publié ses travaux en 1923 après la découverte de l'électron. C'est le nom des plus petites particules chargées négativement qui font partie de la coquille des atomes. Dans son livre, Lewis a utilisé les points autour des quatre côtés du symbole de l'élément chimique pour représenter les électrons de valence.
Valence pour l'hydrogène et l'oxygène
Avant la création du système périodique, la valence des éléments chimiques dans les composés était généralement comparée aux atomes pour lesquels elle est connue. L'hydrogène et l'oxygène ont été choisis comme étalons. Un autre élément chimique a attiré ou remplacé un certain nombre d'atomes H et O.
De cette manière, les propriétés ont été déterminées dans les composés à hydrogène monovalent (la valence du deuxième élément est indiquée par un chiffre romain):
- HCl - chlore (I):
- H2O - oxygène (II);
- NH3 - azote (III);
- CH4 - carbone (IV).
Dans les oxydes K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 a déterminé la valence en oxygène des métaux et des non-métaux en doublant le nombre d'atomes O ajoutés. Les valeurs suivantes ont été obtenues: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Comment déterminer la valence des éléments chimiques
Il existe des régularités dans la formation d'une liaison chimique impliquant descouple:
- La valence typique de l'hydrogène est I.
- Valence habituelle de l'oxygène - II.
- Pour les éléments non métalliques, la valence la plus basse peut être déterminée par la formule 8 - le numéro du groupe dans lequel ils se trouvent dans le système périodique. Le plus élevé, si possible, est déterminé par le numéro de groupe.
- Pour les éléments des sous-groupes secondaires, la valence maximale possible est la même que leur numéro de groupe dans le tableau périodique.
La détermination de la valence des éléments chimiques selon la formule du composé est effectuée à l'aide de l'algorithme suivant:
- Écrivez la valeur connue de l'un des éléments au-dessus du signe chimique. Par exemple, dans Mn2O7 la valence de l'oxygène est II.
- Calculez la valeur totale, pour laquelle vous devez multiplier la valence par le nombre d'atomes du même élément chimique dans la molécule: 27=14.
- Déterminer la valence du second élément pour lequel elle est inconnue. Divisez la valeur obtenue à l'étape 2 par le nombre d'atomes de Mn dans la molécule.
- 14: 2=7. La valence du manganèse dans son oxyde supérieur est VII.
Valence constante et variable
Les valeurs de Valence pour l'hydrogène et l'oxygène sont différentes. Par exemple, le soufre dans le composé H2S est bivalent, et dans la formule SO3 il est hexavalent. Le carbone forme du monoxyde CO et du dioxyde CO2 avec l'oxygène. Dans le premier composé, la valence de C est II, et dans le second, IV. Même valeur dans le méthane CH4.
La plupartles éléments présentent une valence non pas constante, mais variable, par exemple, le phosphore, l'azote, le soufre. La recherche des principales causes de ce phénomène a conduit à l'émergence de théories des liaisons chimiques, d'idées sur la couche de valence des électrons et des orbitales moléculaires. L'existence de différentes valeurs d'une même propriété a été expliquée du point de vue de la structure des atomes et des molécules.
Idées modernes sur la valence
Tous les atomes sont constitués d'un noyau positif entouré d'électrons chargés négativement. L'enveloppe extérieure qu'ils forment est inachevée. La structure complétée est la plus stable, contenant 8 électrons (un octet). L'émergence d'une liaison chimique due à des paires d'électrons communes conduit à un état énergétiquement favorable des atomes.
La règle pour la formation de composés est l'achèvement de la coquille en acceptant des électrons ou en donnant des électrons non appariés - selon le processus le plus facile. Si un atome permet la formation de particules négatives à liaison chimique qui n'ont pas de paire, alors il forme autant de liaisons qu'il a d'électrons non appariés. Selon les concepts modernes, la valence des atomes d'éléments chimiques est la capacité à former un certain nombre de liaisons covalentes. Par exemple, dans une molécule de sulfure d'hydrogène H2S, le soufre acquiert la valence II (–), puisque chaque atome participe à la formation de deux paires d'électrons. Le signe "-" indique l'attraction d'une paire d'électrons vers un élément plus électronégatif. Pour un moins électronégatif, "+" est ajouté à la valeur de valence.
Avec le mécanisme donneur-accepteur, les paires d'électrons d'un élément et les orbitales de valence libre d'un autre élément participent au processus.
Dépendance de la valence sur la structure de l'atome
Regardons l'exemple du carbone et de l'oxygène, comment la valence des éléments chimiques dépend de la structure de la substance. Le tableau périodique donne une idée des principales caractéristiques de l'atome de carbone:
- signe chimique - C;
- numéro d'élément - 6;
- frais de base - +6;
- protons dans le noyau - 6;
- électrons - 6, dont 4 externes, dont 2 forment une paire, 2 ne sont pas appariés.
Si un atome de carbone dans le monoxyde de CO forme deux liaisons, seules 6 particules négatives sont utilisées. Pour acquérir un octet, il faut que les paires forment 4 particules négatives externes. Le carbone a la valence IV (+) dans le dioxyde et IV (–) dans le méthane.
Le nombre ordinal d'oxygène est 8, la couche de valence se compose de six électrons, dont 2 ne forment pas de paires et participent à la liaison chimique et à l'interaction avec d'autres atomes. Une valence d'oxygène typique est II (–).
Valence et état d'oxydation
Dans de nombreux cas, il est plus pratique d'utiliser le concept "d'état d'oxydation". C'est le nom donné à la charge d'un atome qu'il acquerrait si tous les électrons de liaison étaient transférés à un élément qui a une valeur d'électronégativité (EO) plus élevée. Le nombre d'oxydation dans une substance simple estzéro. Le signe "-" est ajouté à l'état d'oxydation de l'élément le plus EO, le signe "+" est ajouté au moins électronégatif. Par exemple, pour les métaux des sous-groupes principaux, les états d'oxydation et les charges ioniques sont typiques, égaux au numéro de groupe avec un signe "+". Dans la plupart des cas, la valence et l'état d'oxydation des atomes d'un même composé sont numériquement les mêmes. Ce n'est que lors de l'interaction avec des atomes plus électronégatifs que l'état d'oxydation est positif, avec des éléments dans lesquels l'OE est plus faible, il est négatif. Le concept de "valence" est souvent appliqué uniquement aux substances de structure moléculaire.
