กำหนดความจุขององค์ประกอบทางเคมี

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ระดับความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุลในศตวรรษที่ 19 ไม่อนุญาตให้อธิบายเหตุผลว่าทำไมอะตอมจึงสร้างพันธะกับอนุภาคอื่นๆ จำนวนหนึ่ง แต่แนวคิดของนักวิทยาศาสตร์นั้นล้ำหน้ากว่าเวลาของพวกเขา และความจุยังคงถูกศึกษาเป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานของเคมี

จากประวัติของแนวคิดเรื่อง "วาเลนซีของธาตุเคมี"

นักเคมีชาวอังกฤษผู้โดดเด่นแห่งศตวรรษที่ 19 เอ็ดเวิร์ด แฟรงก์แลนด์ ได้นำคำว่า "พันธะ" มาใช้ทางวิทยาศาสตร์เพื่ออธิบายกระบวนการปฏิสัมพันธ์ของอะตอมซึ่งกันและกัน นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าองค์ประกอบทางเคมีบางชนิดก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีอะตอมอื่นจำนวนเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนจับไฮโดรเจนสามอะตอมในโมเลกุลแอมโมเนีย

ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1852 แฟรงก์แลนด์ตั้งสมมติฐานว่ามีพันธะเคมีจำนวนหนึ่งที่อะตอมสามารถก่อตัวขึ้นพร้อมกับอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ของสสาร แฟรงค์แลนด์ใช้คำว่า "แรงเชื่อมต่อ" เพื่ออธิบายสิ่งที่จะเรียกในภายหลังว่าวาเลนซี นักเคมีชาวอังกฤษกำหนดไว้เท่าไหร่พันธะเคมีก่อตัวเป็นอะตอมของธาตุแต่ละธาตุซึ่งรู้จักกันในกลางศตวรรษที่ 19 งานของแฟรงค์แลนด์มีส่วนสำคัญต่อเคมีโครงสร้างสมัยใหม่

ทัศนคติที่กำลังพัฒนา

นักเคมีชาวเยอรมัน F. A. Kekule พิสูจน์ในปี 1857 ว่าคาร์บอนเป็นสารเตตราเบสิก ในสารประกอบที่ง่ายที่สุด - มีเทน - มีพันธะที่มีอะตอมไฮโดรเจน 4 อะตอม นักวิทยาศาสตร์ใช้คำว่า "พื้นฐาน" เพื่อแสดงคุณสมบัติขององค์ประกอบเพื่อแนบจำนวนอนุภาคอื่น ๆ ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ในรัสเซีย ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารจัดระบบโดย A. M. Butlerov (1861) ทฤษฎีพันธะเคมีได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมด้วยหลักคำสอนเรื่องการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติขององค์ประกอบเป็นระยะ ผู้เขียนเป็นนักเคมีชาวรัสเซียที่โดดเด่นอีกคนหนึ่งคือ D. I. Mendeleev เขาพิสูจน์ว่าความจุขององค์ประกอบทางเคมีในสารประกอบและคุณสมบัติอื่นๆ นั้นเกิดจากตำแหน่งที่อยู่ในระบบธาตุ

การแสดงกราฟิกของความจุและพันธะเคมี

ความเป็นไปได้ของการแสดงโมเลกุลด้วยสายตาเป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ของทฤษฎีวาเลนซี แบบจำลองแรกปรากฏในปี 1860 และตั้งแต่ปี 1864 มีการใช้สูตรโครงสร้างซึ่งเป็นวงกลมที่มีสัญลักษณ์ทางเคมีอยู่ข้างใน ระหว่างสัญลักษณ์ของอะตอม เส้นประแสดงถึงพันธะเคมี และจำนวนของเส้นเหล่านี้จะเท่ากับค่าของความจุ ในปีเดียวกันนั้น ได้มีการผลิตโมเดลลูกและไม้ขึ้นเป็นครั้งแรก (ดูรูปทางด้านซ้าย) ในปี พ.ศ. 2409 Kekule ได้เสนอภาพวาดสามมิติของอะตอมคาร์บอนในรูปจัตุรมุขซึ่งเขาได้รวมไว้ในตำราเคมีอินทรีย์ของเขา

ความจุขององค์ประกอบทางเคมีและการเกิดขึ้นของพันธะได้รับการศึกษาโดย G. Lewis ผู้ตีพิมพ์ผลงานของเขาในปี 1923 หลังจากการค้นพบอิเล็กตรอน นี่คือชื่อของอนุภาคที่มีประจุลบที่เล็กที่สุดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเปลือกอะตอม ในหนังสือของเขา ลูอิสใช้จุดรอบสี่ด้านของสัญลักษณ์องค์ประกอบทางเคมีเพื่อเป็นตัวแทนของเวเลนซ์อิเล็กตรอน

วาเลนซีสำหรับไฮโดรเจนและออกซิเจน

ก่อนการสร้างระบบคาบ วาเลนซ์ขององค์ประกอบทางเคมีในสารประกอบมักจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับอะตอมที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ไฮโดรเจนและออกซิเจนได้รับเลือกให้เป็นมาตรฐาน องค์ประกอบทางเคมีอื่นดึงดูดหรือแทนที่อะตอม H และ O จำนวนหนึ่ง

ด้วยวิธีนี้ กำหนดคุณสมบัติในสารประกอบที่มีไฮโดรเจนโมโนวาเลนต์ (วาเลนซีของธาตุที่สองถูกระบุด้วยเลขโรมัน):

• HCl - คลอรีน (I):
• H₂O - ออกซิเจน (II);
• NH₃ - ไนโตรเจน (III);
• CH₄ - คาร์บอน (IV).

ในออกไซด์ K₂O, CO, N₂O₃, SiO ₂, SO₃ กำหนดความจุออกซิเจนของโลหะและอโลหะโดยการเพิ่มจำนวนอะตอม O เป็นสองเท่า ได้รับค่าต่อไปนี้: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).

วิธีหาความจุขององค์ประกอบทางเคมี

มีความสม่ำเสมอในการก่อตัวของพันธะเคมีที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปคู่รัก:

• วาเลนซีไฮโดรเจนทั่วไปคือ I.
• ความจุออกซิเจนปกติ - II.
• สำหรับองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ ความจุต่ำสุดสามารถกำหนดได้โดยสูตร 8 - จำนวนของกลุ่มที่อยู่ในระบบธาตุ สูงสุด ถ้าเป็นไปได้ จะกำหนดโดยหมายเลขกลุ่ม
• สำหรับองค์ประกอบของกลุ่มย่อยรอง ความจุสูงสุดที่เป็นไปได้จะเหมือนกับหมายเลขกลุ่มในตารางธาตุ

การหาความจุขององค์ประกอบทางเคมีตามสูตรของสารประกอบนั้นดำเนินการโดยใช้อัลกอริธึมต่อไปนี้:

1. เขียนค่าที่ทราบสำหรับองค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งเหนือเครื่องหมายเคมี ตัวอย่างเช่น ใน Mn₂O₇ ความจุออกซิเจนคือ II
2. คำนวณมูลค่ารวม ซึ่งคุณต้องคูณความจุด้วยจำนวนอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันในโมเลกุล: 27=14.
3. กำหนดความจุขององค์ประกอบที่สองที่ไม่ทราบ หารค่าที่ได้รับในขั้นตอนที่ 2 ด้วยจำนวนอะตอม Mn ในโมเลกุล
4. 14: 2=7 วาเลนซีของแมงกานีสในออกไซด์ที่สูงขึ้นคือ VII

ค่าคงที่และวาเลนซีตัวแปร

ค่าวาเลนซ์สำหรับไฮโดรเจนและออกซิเจนต่างกัน ตัวอย่างเช่น กำมะถันในสารประกอบ H₂S เป็นไบวาเลนต์ และในสูตร SO₃ มีวาเลนท์ คาร์บอนก่อตัวเป็นมอนอกไซด์ CO และไดออกไซด์ CO₂ ด้วยออกซิเจน ในสารประกอบแรก ความจุของ C คือ II และในสารประกอบที่สองคือ IV มีเทนมีค่าเท่ากัน CH₄.

มากที่สุดองค์ประกอบไม่คงที่ แต่เป็นความจุที่แปรผันได้ เช่น ฟอสฟอรัส ไนโตรเจน กำมะถัน การค้นหาสาเหตุหลักของปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดทฤษฎีพันธะเคมี แนวคิดเกี่ยวกับเปลือกเวเลนซ์ของอิเล็กตรอน และออร์บิทัลระดับโมเลกุล อธิบายการมีอยู่ของค่าต่าง ๆ ของคุณสมบัติเดียวกันจากมุมมองของโครงสร้างของอะตอมและโมเลกุล

แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับความจุ

อะตอมทั้งหมดประกอบด้วยนิวเคลียสบวกที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ เปลือกนอกที่ก่อตัวยังไม่เสร็จ โครงสร้างที่เสร็จสมบูรณ์มีความเสถียรมากที่สุด ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 8 ตัว (หนึ่งออคเต็ต) การเกิดขึ้นของพันธะเคมีอันเนื่องมาจากคู่อิเล็กตรอนทั่วไปนำไปสู่สภาวะที่เป็นที่ชื่นชอบของอะตอม

กฎสำหรับการก่อตัวของสารประกอบคือความสมบูรณ์ของเปลือกโดยการยอมรับอิเล็กตรอนหรือแจกอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ - ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่ง่ายกว่า หากอะตอมทำให้เกิดอนุภาคลบของพันธะเคมีที่ไม่มีคู่ มันจะสร้างพันธะมากเท่ากับที่มีอิเล็กตรอนไม่คู่ ตามแนวคิดสมัยใหม่ ความจุของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีคือความสามารถในการสร้างพันธะโควาเลนต์จำนวนหนึ่ง ตัวอย่างเช่น ในโมเลกุลไฮโดรเจนซัลไฟด์ H₂S กำมะถันจะได้วาเลนซี II (–) เนื่องจากแต่ละอะตอมมีส่วนร่วมในการก่อตัวของอิเล็กตรอนคู่สองคู่ เครื่องหมาย “–” บ่งชี้แรงดึงดูดของคู่อิเล็กตรอนไปยังองค์ประกอบที่มีไฟฟ้ามากกว่า สำหรับค่าไฟฟ้าที่น้อยกว่า จะมีการเติม “+” ให้กับค่าวาเลนซี

ด้วยกลไกการรับ-บริจาค คู่อิเล็กตรอนของธาตุหนึ่งและออร์บิทัลวาเลนซ์อิสระของอีกองค์ประกอบหนึ่งจะมีส่วนร่วมในกระบวนการนี้

การพึ่งพาวาเลนซีบนโครงสร้างของอะตอม

ลองดูตัวอย่างคาร์บอนและออกซิเจนว่าความจุขององค์ประกอบทางเคมีขึ้นอยู่กับโครงสร้างของสารอย่างไร ตารางธาตุให้แนวคิดเกี่ยวกับลักษณะสำคัญของอะตอมคาร์บอน:

• เครื่องหมายเคมี - C;
• หมายเลของค์ประกอบ - 6;
• ชาร์จหลัก - +6;
• โปรตอนในนิวเคลียส - 6;
• อิเล็กตรอน - 6 ตัว รวมทั้งตัวนอก 4 ตัว โดย 2 ตัวเป็นคู่ และ 2 ตัวเป็น unpaired

ถ้าอะตอมของคาร์บอนใน CO มอนอกไซด์สร้างพันธะสองพันธะ ก็จะมีเพียง 6 อนุภาคลบเท่านั้นที่จะนำมาใช้ ในการได้มาซึ่งออคเต็ต จำเป็นที่ทั้งคู่จะสร้างอนุภาคลบภายนอก 4 ตัว คาร์บอนมีวาเลนซี IV (+) ในไดออกไซด์และ IV (–) ในมีเทน

เลขลำดับของออกซิเจนคือ 8 วาเลนซ์เชลล์ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 6 ตัว โดย 2 ตัวไม่เป็นคู่และมีส่วนในพันธะเคมีและปฏิสัมพันธ์กับอะตอมอื่นๆ ความจุออกซิเจนทั่วไปคือ II (–).

วาเลนซีและสถานะออกซิเดชัน

ในหลายกรณี การใช้แนวคิดเรื่อง "สถานะออกซิเดชัน" จะสะดวกกว่า นี่คือชื่อที่กำหนดให้กับประจุของอะตอมที่มันจะได้รับถ้าอิเล็กตรอนพันธะทั้งหมดถูกถ่ายโอนไปยังองค์ประกอบที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ (EO) สูงกว่า เลขออกซิเดชันในสารอย่างง่ายคือศูนย์. เครื่องหมาย “–” จะถูกเพิ่มในสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบ EO ที่มากกว่า เครื่องหมาย “+” จะถูกเพิ่มไปยังองค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น สำหรับโลหะในกลุ่มย่อยหลัก สถานะออกซิเดชันและประจุไอออนเป็นเรื่องปกติ เท่ากับหมายเลขกลุ่มที่มีเครื่องหมาย "+" ในกรณีส่วนใหญ่ ความจุและสถานะออกซิเดชันของอะตอมในสารประกอบเดียวกันจะเท่ากันในเชิงตัวเลข เฉพาะเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนมากขึ้น สถานะออกซิเดชันจะเป็นบวก โดยองค์ประกอบที่ EO ต่ำกว่าจะเป็นค่าลบ แนวคิดของ "วาเลนซี" มักใช้กับสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลเท่านั้น