רמת הידע על מבנה האטומים והמולקולות במאה ה-19 לא אפשרה להסביר את הסיבה מדוע אטומים יוצרים מספר מסוים של קשרים עם חלקיקים אחרים. אבל הרעיונות של מדענים הקדימו את זמנם, וערכיות עדיין נחקרת כאחד מעקרונות היסוד של הכימיה.
מההיסטוריה של המושג "ערכיות של יסודות כימיים"
אדוארד פרנקלנד, כימאי אנגלי מצטיין במאה ה-19, הכניס את המונח "קשר" לשימוש מדעי כדי לתאר את תהליך האינטראקציה של אטומים זה עם זה. המדען שם לב שחלק מהיסודות הכימיים יוצרים תרכובות עם אותו מספר של אטומים אחרים. לדוגמה, חנקן מחבר שלושה אטומי מימן במולקולת האמוניה.
במאי 1852, פרנקלנד שיער שקיים מספר מסוים של קשרים כימיים שאטום יכול ליצור עם חלקיקי חומר זעירים אחרים. פרנקלנד השתמשה בביטוי "כוח מחבר" כדי לתאר את מה שייקרא לימים ערכיות. הכימאי הבריטי קבע כמהקשרים כימיים יוצרים אטומים של יסודות בודדים הידועים באמצע המאה ה-19. עבודתו של פרנקלנד הייתה תרומה חשובה לכימיה מבנית מודרנית.
פיתוח גישות
כימאי גרמני F. A. Kekule הוכיח בשנת 1857 שפחמן הוא פחמן טטר-בסיסי. בתרכובת הפשוטה ביותר שלו - מתאן - יש קשרים עם 4 אטומי מימן. המדען השתמש במונח "בסיסיות" כדי לציין את התכונה של יסודות לצרף מספר מוגדר בהחלט של חלקיקים אחרים. ברוסיה, נתונים על מבנה החומר בוצעו בשיטת א.מ. בטלרוב (1861). תורת הקשר הכימי קיבלה התפתחות נוספת הודות לתורת השינוי התקופתי בתכונות היסודות. מחברו הוא כימאי רוסי מצטיין נוסף, ד.י. מנדלייב. הוא הוכיח שהערכיות של יסודות כימיים בתרכובות ותכונות אחרות נובעות מהמיקום שהם תופסים במערכת המחזורית.
ייצוג גרפי של ערכיות וקשר כימי
האפשרות לייצוג חזותי של מולקולות היא אחד היתרונות הבלתי מעורערים של תורת הערכיות. הדגמים הראשונים הופיעו בשנות ה-60, ומאז 1864 נעשה שימוש בנוסחאות מבניות, שהן עיגולים עם סימן כימי בפנים. בין סמלי האטומים, מקף מציין קשר כימי, ומספר הקווים הללו שווה לערך הערכיות. באותן שנים נוצרו דגמי הכדור והמקל הראשונים (ראו תמונה משמאל). בשנת 1866, Kekule הציע ציור סטריאוכימי של האטום.פחמן בצורת טטרהדרון, אותו כלל בספר הלימוד שלו כימיה אורגנית.
הערכיות של יסודות כימיים והתרחשות של קשרים נחקרה על ידי ג'י לואיס, שפרסם את עבודותיו ב-1923 לאחר גילוי האלקטרון. זהו שמם של החלקיקים הקטנים ביותר בעלי מטען שלילי שהם חלק מקליפות האטומים. בספרו, לואיס השתמש בנקודות מסביב לארבעת הצדדים של סמל היסוד הכימי כדי לייצג אלקטרונים ערכיים.
Valency עבור מימן וחמצן
לפני יצירת המערכת המחזורית, ערכיותם של יסודות כימיים בתרכובות הושוו בדרך כלל לאותם האטומים שבהם היא ידועה. מימן וחמצן נבחרו כסטנדרטים. יסוד כימי אחר משך או החליף מספר מסוים של אטומי H ו-O.
באופן זה נקבעו תכונות בתרכובות בעלות מימן חד ערכי (הערכיות של היסוד השני מצוינת בספרה רומית):
- HCl - כלור (I):
- H2O - חמצן (II);
- NH3 - חנקן (III);
- CH4 - פחמן (IV).
בתחמוצות K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 קבעו את ערכיות החמצן של מתכות ולא-מתכות על ידי הכפלת מספר אטומי O שנוספו. התקבלו הערכים הבאים: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
איך לקבוע את הערכיות של יסודות כימיים
יש סדירות ביצירת קשר כימי המעורב אלקטרוני נפוץזוגות:
- ערך המימן האופייני הוא I.
- ערך חמצן רגיל - II.
- עבור יסודות שאינם מתכתיים, ניתן לקבוע את הערכיות הנמוכה ביותר לפי הנוסחה 8 - מספר הקבוצה שבה הם נמצאים במערכת המחזורית. הגבוה ביותר, אם אפשר, נקבע לפי מספר הקבוצה.
- עבור אלמנטים של תת-קבוצות משניות, הערכיות המקסימלית האפשרית זהה למספר הקבוצה שלהם בטבלה המחזורית.
קביעת הערכיות של יסודות כימיים לפי נוסחת התרכובת מתבצעת באמצעות האלגוריתם הבא:
- כתוב את הערך הידוע עבור אחד היסודות מעל הסימן הכימי. לדוגמה, ב-Mn2O7 ערכיות החמצן היא II.
- חשב את הערך הכולל, שעבורו אתה צריך להכפיל את הערכיות במספר האטומים של אותו יסוד כימי במולקולה: 27=14.
- קבע את הערכיות של האלמנט השני שעבורו הוא לא ידוע. חלקו את הערך שהתקבל בשלב 2 במספר אטומי Mn במולקולה.
- 14: 2=7. הערכיות של מנגן בתחמוצת הגבוהה שלו היא VII.
ערך קבוע ומשתנה
ערכי ערכיות למימן וחמצן שונים. לדוגמה, גופרית בתרכובת H2S היא דו ערכית, ובנוסחה SO3 היא משושה. פחמן יוצר חד חמצני CO ודו חמצני CO2 עם חמצן. בתרכובת הראשונה, הערכיות של C היא II, ובשנייה, IV. אותו ערך במתאן CH4.
הרובאלמנטים לא מציגים ערכיות קבועה, אלא משתנה, למשל, זרחן, חנקן, גופרית. החיפוש אחר הגורמים העיקריים לתופעה זו הוביל להופעתם של תיאוריות של קשרים כימיים, רעיונות לגבי מעטפת הערכיות של אלקטרונים ואורביטלים מולקולריים. קיומם של ערכים שונים של אותה תכונה הוסבר מנקודת המבט של מבנה האטומים והמולקולות.
רעיונות מודרניים לגבי ערכיות
כל האטומים מורכבים מגרעין חיובי מוקף באלקטרונים בעלי מטען שלילי. הקליפה החיצונית שהם יוצרים אינה גמורה. המבנה שהושלם הוא היציב ביותר, המכיל 8 אלקטרונים (אוקטטה). הופעתו של קשר כימי עקב זוגות אלקטרונים משותפים מובילה למצב חיובי מבחינה אנרגטית של אטומים.
הכלל להיווצרות תרכובות הוא השלמת המעטפת על ידי קבלת אלקטרונים או מסירת בלתי מזווגים - תלוי איזה תהליך קל יותר. אם אטום מספק יצירת קשר כימי חלקיקים שליליים שאין להם זוג, אז הוא יוצר קשרים רבים כמו שיש לו אלקטרונים לא מזווגים. על פי תפיסות מודרניות, הערכיות של אטומים של יסודות כימיים היא היכולת ליצור מספר מסוים של קשרים קוולנטיים. לדוגמה, במולקולת מימן גופרתי H2S, גופרית מקבלת ערכיות II (–), שכן כל אטום לוקח חלק ביצירת שני זוגות אלקטרונים. הסימן "-" מציין את המשיכה של זוג אלקטרונים ליסוד אלקטרונילי יותר. עבור ערך פחות אלקטרוני, "+" מתווסף לערך הערכיות.
עם מנגנון התורם-המקבל, זוגות אלקטרונים של יסוד אחד ואורביטלי ערכיות חופשיים של יסוד אחר לוקחים חלק בתהליך.
תלות הערכיות במבנה האטום
בואו נסתכל על הדוגמה של פחמן וחמצן, כיצד הערכיות של יסודות כימיים תלויה במבנה החומר. הטבלה המחזורית נותנת מושג על המאפיינים העיקריים של אטום הפחמן:
- סימן כימי - C;
- מספר רכיב - 6;
- חיוב ליבה - +6;
- פרוטונים בגרעין - 6;
- אלקטרונים - 6, כולל 4 חיצוניים, מתוכם 2 מהווים זוג, 2 אינם מזווגים.
אם אטום הפחמן ב-CO חד-חמצני יוצר שני קשרים, אז רק 6 חלקיקים שליליים מגיעים לשימוש שלו. כדי לרכוש אוקטט, יש צורך שהזוגות יוצרים 4 חלקיקים שליליים חיצוניים. לפחמן יש ערכיות IV (+) בדו חמצני ו- IV (–) במתאן.
המספר הסדיר של החמצן הוא 8, מעטפת הערכיות מורכבת משישה אלקטרונים, 2 מהם אינם יוצרים זוגות ולוקחים חלק בקשר כימי ובאינטראקציה עם אטומים אחרים. ערכיות חמצן טיפוסית היא II (–).
Valency ומצב חמצון
במקרים רבים נוח יותר להשתמש במושג "מצב חמצון". זהו השם שניתן למטען של אטום שהוא היה רוכש אם כל האלקטרונים המחוברים היו מועברים ליסוד בעל ערך גבוה יותר של אלקטרושליליות (EO). מספר החמצון בחומר פשוט הואאֶפֶס. הסימן "–" מתווסף למצב החמצון של אלמנט יותר EO, הסימן "+" מתווסף לזה הפחות אלקטרושלילי. לדוגמה, עבור מתכות של תת הקבוצות העיקריות, מצבי חמצון ומטענים יונים אופייניים, שווים למספר הקבוצה עם סימן "+". ברוב המקרים, הערכיות ומצב החמצון של אטומים באותה תרכובת זהים מבחינה מספרית. רק בעת אינטראקציה עם יותר אטומים אלקטרוניים שליליים, מצב החמצון חיובי, כאשר אלמנטים שבהם ה-EO נמוך יותר, הוא שלילי. המושג "ערכיות" מיושם לעתים קרובות רק על חומרים בעלי מבנה מולקולרי.
