მე-19 საუკუნეში ატომებისა და მოლეკულების სტრუქტურის შესახებ ცოდნის დონემ არ იძლეოდა იმის ახსნა, თუ რატომ ქმნიან ატომები გარკვეული რაოდენობის ბმებს სხვა ნაწილაკებთან. მაგრამ მეცნიერთა იდეები თავის დროზე უსწრებდა და ვალენტობა ჯერ კიდევ სწავლობს, როგორც ქიმიის ერთ-ერთი ძირითადი პრინციპი.
"ქიმიური ელემენტების ვალენტობის" კონცეფციის ისტორიიდან
მე-19 საუკუნის გამოჩენილმა ინგლისელმა ქიმიკოსმა ედვარდ ფრანკლენდმა შემოიღო ტერმინი „ბმა“მეცნიერულ გამოყენებაში ატომების ერთმანეთთან ურთიერთქმედების პროცესის აღსაწერად. მეცნიერმა შენიშნა, რომ ზოგიერთი ქიმიური ელემენტი ქმნის ნაერთებს იგივე რაოდენობის სხვა ატომებთან. მაგალითად, აზოტი ამაგრებს წყალბადის სამ ატომს ამიაკის მოლეკულაში.
1852 წლის მაისში, ფრანკლენდმა წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ არსებობდა გარკვეული რაოდენობის ქიმიური ბმები, რომლებიც ატომს შეუძლია შექმნას მატერიის სხვა წვრილმან ნაწილაკებთან. ფრანკლენდმა გამოიყენა ფრაზა „დამაკავშირებელი ძალა“იმის აღსაწერად, რასაც მოგვიანებით ეწოდა ვალენტობა. ბრიტანელმა ქიმიკოსმა დაადგინა რამდენიქიმიური ობლიგაციები ქმნიან ცალკეული ელემენტების ატომებს, რომლებიც ცნობილია XIX საუკუნის შუა ხანებში. ფრანკლენდის ნაშრომმა მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა თანამედროვე სტრუქტურულ ქიმიაში.
დამოკიდებულების განვითარება
გერმანელი ქიმიკოსი F. A. კეკულემ 1857 წელს დაამტკიცა, რომ ნახშირბადი ტეტრაბაზურია. მის უმარტივეს ნაერთში - მეთანში - არის ბმები 4 წყალბადის ატომთან. მეცნიერმა გამოიყენა ტერმინი „ძირითადი“ელემენტების თვისების აღსანიშნავად სხვა ნაწილაკების მკაცრად განსაზღვრული რაოდენობის მიმაგრების მიზნით. რუსეთში მატერიის სტრუქტურის შესახებ მონაცემები სისტემატიზებულია A. M. Butlerov-ის მიერ (1861). ქიმიური კავშირის თეორიამ შემდგომი განვითარება მიიღო ელემენტების თვისებების პერიოდული ცვლილების დოქტრინის წყალობით. მისი ავტორია კიდევ ერთი გამოჩენილი რუსი ქიმიკოსი დ.ი.მენდელეევი. მან დაამტკიცა, რომ ნაერთებში ქიმიური ელემენტების ვალენტობა და სხვა თვისებები განპირობებულია იმ პოზიციით, რომელსაც ისინი იკავებენ პერიოდულ სისტემაში.
ვალენტობისა და ქიმიური ბმის გრაფიკული გამოსახულება
მოლეკულების ვიზუალური წარმოდგენის შესაძლებლობა ვალენტობის თეორიის ერთ-ერთი უდავო უპირატესობაა. პირველი მოდელები გაჩნდა 1860-იან წლებში, ხოლო 1864 წლიდან გამოიყენება სტრუქტურული ფორმულები, რომლებიც არის წრეები შიგნით ქიმიური ნიშნით. ატომების სიმბოლოებს შორის ტირე მიუთითებს ქიმიურ კავშირზე და ამ ხაზების რაოდენობა უდრის ვალენტობის მნიშვნელობას. იმავე წლებში დამზადდა პირველი ბურთულა-ჯოხის მოდელები (იხილეთ ფოტო მარცხნივ). 1866 წელს კეკულემ შესთავაზა ატომის სტერეოქიმიური ნახაზი.ნახშირბადი ტეტრაედრის სახით, რომელიც მან შეიტანა თავის სახელმძღვანელოში ორგანული ქიმია.
ქიმიური ელემენტების ვალენტობა და ბმების გაჩენა შეისწავლა გ.ლუისმა, რომელმაც გამოაქვეყნა თავისი ნაშრომები 1923 წელს ელექტრონის აღმოჩენის შემდეგ. ეს არის ყველაზე პატარა უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების სახელი, რომლებიც ატომების გარსების ნაწილია. თავის წიგნში ლუისმა გამოიყენა წერტილები ქიმიური ელემენტის სიმბოლოს ოთხი მხარის ირგვლივ ვალენტური ელექტრონების წარმოსაჩენად.
ვალენტობა წყალბადისა და ჟანგბადისთვის
პერიოდული სისტემის შექმნამდე, ნაერთებში ქიმიური ელემენტების ვალენტობა ჩვეულებრივ შედარებული იყო იმ ატომებთან, რომლითაც იგი ცნობილია. სტანდარტებად შეირჩა წყალბადი და ჟანგბადი. სხვა ქიმიურმა ელემენტმა მიიზიდა ან შეცვალა H და O ატომების გარკვეული რაოდენობა.
ამ გზით განისაზღვრა თვისებები ერთვალენტიანი წყალბადის ნაერთებში (მეორე ელემენტის ვალენტობა მითითებულია რომაული რიცხვით):
- HCl - ქლორი (I):
- H2O - ჟანგბადი (II);
- NH3 - აზოტი (III);
- CH4 - ნახშირბადი (IV).
ოქსიდებში K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 განსაზღვრა მეტალების და არამეტალების ჟანგბადის ვალენტობა დამატებული O ატომების რაოდენობის გაორმაგებით. მიიღეს შემდეგი მნიშვნელობები: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
როგორ განვსაზღვროთ ქიმიური ელემენტების ვალენტობა
არსებობს კანონზომიერებები ქიმიური ბმის ფორმირებაში, რომელიც მოიცავს საერთო ელექტრონულწყვილები:
- ტიპიური წყალბადის ვალენტობაა I.
- ჩვეული ჟანგბადის ვალენტობა - II.
- არამეტალური ელემენტებისთვის ყველაზე დაბალი ვალენტობა შეიძლება განისაზღვროს ფორმულით 8 - იმ ჯგუფის რიცხვი, რომელშიც ისინი მდებარეობენ პერიოდულ სისტემაში. უმაღლესი, თუ ეს შესაძლებელია, განისაზღვრება ჯგუფის ნომრით.
- მეორადი ქვეჯგუფების ელემენტებისთვის მაქსიმალური შესაძლო ვალენტობა იგივეა, რაც მათი ჯგუფის რიცხვი პერიოდულ სისტემაში.
ქიმიური ელემენტების ვალენტობის განსაზღვრა ნაერთის ფორმულის მიხედვით ხორციელდება შემდეგი ალგორითმის გამოყენებით:
- ჩაწერეთ ქიმიური ნიშნის ზემოთ ერთ-ერთი ელემენტის ცნობილი მნიშვნელობა. მაგალითად, Mn2O7-ში ჟანგბადის ვალენტობა არის II.
- გამოთვალეთ ჯამური მნიშვნელობა, რისთვისაც საჭიროა ვალენტობის გამრავლება მოლეკულაში ერთი და იგივე ქიმიური ელემენტის ატომების რაოდენობაზე: 27=14.
- დასაზღვრეთ მეორე ელემენტის ვალენტობა, რომლისთვისაც ის უცნობია. ნაბიჯი 2-ში მიღებული მნიშვნელობა გაყავით მოლეკულაში Mn ატომების რაოდენობაზე.
- 14: 2=7. მანგანუმის ვალენტობა მის მაღალ ოქსიდში არის VII.
მუდმივი და ცვლადი ვალენტობა
ვალენტური მნიშვნელობები წყალბადისა და ჟანგბადისთვის განსხვავებულია. მაგალითად, ნაერთში H2S გოგირდი ორვალენტიანია, ხოლო ფორმულაში SO3 არის ექვსვალენტური. ნახშირბადი წარმოქმნის მონოქსიდს CO და დიოქსიდს CO2 ჟანგბადთან ერთად. პირველ ნაერთში C-ის ვალენტობა არის II, ხოლო მეორეში IV. იგივე მნიშვნელობა მეთანში CH4.
ყველაზეელემენტები ავლენენ არა მუდმივ, არამედ ცვლად ვალენტობას, მაგალითად, ფოსფორს, აზოტს, გოგირდს. ამ ფენომენის ძირითადი მიზეზების ძიებამ გამოიწვია ქიმიური კავშირის თეორიების გაჩენა, იდეები ელექტრონების ვალენტურობის გარსის და მოლეკულური ორბიტალების შესახებ. ერთი და იგივე თვისების განსხვავებული მნიშვნელობების არსებობა ახსნილი იყო ატომებისა და მოლეკულების სტრუქტურის თვალსაზრისით.
თანამედროვე იდეები ვალენტობის შესახებ
ყველა ატომი შედგება დადებითი ბირთვისაგან, რომელიც გარშემორტყმულია უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებით. გარე გარსი, რომელსაც ისინი ქმნიან, დაუმთავრებელია. დასრულებული სტრუქტურა ყველაზე სტაბილურია, შეიცავს 8 ელექტრონს (ოქტეტს). საერთო ელექტრონული წყვილების გამო ქიმიური ბმის გაჩენა იწვევს ატომების ენერგიულად ხელსაყრელ მდგომარეობას.
ნაერთების წარმოქმნის წესი არის გარსის დასრულება ელექტრონების მიღებით ან დაუწყვილების გაცემით - იმისდა მიხედვით, თუ რომელი პროცესი უფრო ადვილია. თუ ატომი უზრუნველყოფს ქიმიური ბმის უარყოფითი ნაწილაკების წარმოქმნას, რომლებსაც არ აქვთ წყვილი, მაშინ ის აყალიბებს იმდენ კავშირს, რამდენიც აქვს დაუწყვილებელი ელექტრონები. თანამედროვე კონცეფციების თანახმად, ქიმიური ელემენტების ატომების ვალენტობა არის გარკვეული რაოდენობის კოვალენტური ბმების წარმოქმნის უნარი. მაგალითად, წყალბადის სულფიდის მოლეკულაში H2S გოგირდი იძენს II ვალენტობას (–), ვინაიდან თითოეული ატომი მონაწილეობს ორი ელექტრონული წყვილის წარმოქმნაში. ნიშანი „–“მიუთითებს ელექტრონული წყვილის მიზიდულობაზე უფრო ელექტროუარყოფით ელემენტზე. ნაკლებად ელექტროუარყოფითისთვის, „+“ემატება ვალენტობის მნიშვნელობას.
დონორი-მიმღები მექანიზმით, პროცესში მონაწილეობენ ერთი ელემენტის ელექტრონული წყვილი და მეორე ელემენტის თავისუფალი ვალენტური ორბიტალები.
ვალენტურობის დამოკიდებულება ატომის აგებულებაზე
ვნახოთ ნახშირბადის და ჟანგბადის მაგალითი, როგორ არის დამოკიდებული ქიმიური ელემენტების ვალენტობა ნივთიერების აგებულებაზე. პერიოდული ცხრილი იძლევა წარმოდგენას ნახშირბადის ატომის ძირითად მახასიათებლებზე:
- ქიმიური ნიშანი - C;
- ელემენტის ნომერი - 6;
- ძირითადი დამუხტვა - +6;
- პროტონები ბირთვში - 6;
- ელექტრონები - 6, მათ შორის 4 გარე, რომელთაგან 2 ქმნის წყვილს, 2 არის დაუწყვილებელი.
თუ ნახშირბადის ატომი CO მონოქსიდში აყალიბებს ორ ბმას, მაშინ მასში მხოლოდ 6 უარყოფითი ნაწილაკი მოდის. ოქტეტის მოსაპოვებლად აუცილებელია, რომ წყვილებმა შექმნან 4 გარე უარყოფითი ნაწილაკი. ნახშირბადს აქვს IV (+) ვალენტობა დიოქსიდში და IV (–) მეთანში.
ჟანგბადის რიგითი რიცხვია 8, სავალენტო გარსი შედგება ექვსი ელექტრონისაგან, მათგან 2 არ ქმნის წყვილებს და მონაწილეობს ქიმიურ კავშირში და სხვა ატომებთან ურთიერთქმედებაში. ტიპიური ჟანგბადის ვალენტობა არის II (–).
ვალენტურობა და დაჟანგვის მდგომარეობა
ხშირ შემთხვევაში უფრო მოსახერხებელია "ჟანგვის მდგომარეობის" კონცეფციის გამოყენება. ასე ჰქვია ატომის მუხტს, რომელსაც ის შეიძენს, თუ ყველა შემაკავშირებელი ელექტრონი გადაეცემა ელემენტს, რომელსაც აქვს ელექტრონეგატიურობის უფრო მაღალი მნიშვნელობა (EO). მარტივი ნივთიერების ჟანგვის რიცხვი არისნული. „–“ნიშანს ემატება მეტი EO ელემენტის დაჟანგვის მდგომარეობა, ნაკლებად ელექტროუარყოფითს ემატება „+“ნიშანი. მაგალითად, ძირითადი ქვეჯგუფების ლითონებისთვის დამახასიათებელია ჟანგვის მდგომარეობები და იონური მუხტები, რომლებიც უდრის ჯგუფის რიცხვს "+" ნიშნით. უმეტეს შემთხვევაში, ერთნაირ ნაერთში ატომების ვალენტობა და დაჟანგვის მდგომარეობა რიცხობრივად ერთნაირია. მხოლოდ ელექტროუარყოფით ატომებთან ურთიერთობისას, ჟანგვის მდგომარეობა დადებითია, იმ ელემენტებთან, რომლებშიც EO უფრო დაბალია, უარყოფითია. "ვალენტობის" ცნება ხშირად გამოიყენება მხოლოდ მოლეკულური სტრუქტურის ნივთიერებებზე.
