Tingkat pengetahuan tentang struktur atom dan molekul pada abad ke-19 tidak memungkinkan untuk menjelaskan alasan mengapa atom membentuk sejumlah ikatan dengan partikel lain. Tetapi ide-ide para ilmuwan lebih maju dari waktu mereka, dan valensi masih dipelajari sebagai salah satu prinsip dasar kimia.
Dari sejarah konsep "valensi unsur kimia"
Ahli kimia Inggris terkemuka abad ke-19 Edward Frankland memperkenalkan istilah "ikatan" ke dalam penggunaan ilmiah untuk menggambarkan proses interaksi atom satu sama lain. Ilmuwan memperhatikan bahwa beberapa unsur kimia membentuk senyawa dengan jumlah atom lain yang sama. Misalnya, nitrogen mengikat tiga atom hidrogen dalam molekul amonia.
Pada Mei 1852, Frankland berhipotesis bahwa ada sejumlah ikatan kimia tertentu yang dapat dibentuk atom dengan partikel materi kecil lainnya. Frankland menggunakan frasa "kekuatan penghubung" untuk menggambarkan apa yang kemudian disebut valensi. Ahli kimia Inggris menentukan berapa banyakikatan kimia membentuk atom dari unsur-unsur individu yang dikenal di pertengahan abad ke-19. Karya Frankland merupakan kontribusi penting bagi kimia struktural modern.
Mengembangkan sikap
Ahli kimia Jerman F. A. Kekule membuktikan pada tahun 1857 bahwa karbon adalah karbon tetrabasa. Dalam senyawanya yang paling sederhana - metana - ada ikatan dengan 4 atom hidrogen. Ilmuwan menggunakan istilah "kebasaan" untuk menunjukkan sifat elemen untuk melampirkan sejumlah partikel lain yang ditentukan secara ketat. Di Rusia, data tentang struktur materi disistematisasikan oleh A. M. Butlerov (1861). Teori ikatan kimia mendapat perkembangan lebih lanjut berkat doktrin perubahan periodik dalam sifat-sifat unsur. Penulisnya adalah ahli kimia Rusia terkemuka lainnya, D. I. Mendeleev. Ia membuktikan bahwa valensi unsur-unsur kimia dalam senyawa dan sifat-sifat lainnya disebabkan oleh kedudukannya dalam sistem periodik.
Representasi grafis valensi dan ikatan kimia
Kemungkinan representasi visual molekul adalah salah satu keuntungan yang tidak diragukan dari teori valensi. Model pertama muncul pada tahun 1860-an, dan sejak tahun 1864 formula struktural telah digunakan, yaitu lingkaran dengan tanda kimia di dalamnya. Di antara simbol atom, tanda hubung menunjukkan ikatan kimia, dan jumlah garis ini sama dengan nilai valensi. Pada tahun yang sama, model bola dan tongkat pertama dibuat (lihat foto di sebelah kiri). Pada tahun 1866, Kekule mengusulkan gambar stereokimia atom.karbon dalam bentuk tetrahedron, yang ia masukkan dalam bukunya Kimia Organik.
Valensi unsur kimia dan munculnya ikatan dipelajari oleh G. Lewis, yang menerbitkan karyanya pada tahun 1923 setelah penemuan elektron. Ini adalah nama partikel bermuatan negatif terkecil yang merupakan bagian dari kulit atom. Dalam bukunya, Lewis menggunakan titik-titik di sekitar empat sisi simbol unsur kimia untuk mewakili elektron valensi.
Valensi hidrogen dan oksigen
Sebelum pembuatan sistem periodik, valensi unsur kimia dalam senyawa biasanya dibandingkan dengan atom yang diketahuinya. Hidrogen dan oksigen dipilih sebagai standar. Unsur kimia lain menarik atau menggantikan sejumlah atom H dan O.
Dengan cara ini, sifat-sifat ditentukan dalam senyawa dengan hidrogen monovalen (valensi unsur kedua ditunjukkan dengan angka Romawi):
- HCl - klorin (I):
- H2O - oksigen (II);
- NH3 - nitrogen (III);
- CH4 - karbon (IV).
Dalam oksida K2O, CO, N2O3, SiO 2, SO3 menentukan valensi oksigen logam dan non-logam dengan menggandakan jumlah atom O yang ditambahkan. Nilai berikut diperoleh: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).
Cara menentukan valensi unsur kimia
Ada keteraturan dalam pembentukan ikatan kimia yang melibatkan elektron umumpasangan:
- valensi hidrogen khas adalah I.
- Valensi oksigen biasa - II.
- Untuk unsur-unsur non-logam, valensi terendah dapat ditentukan dengan rumus 8 - jumlah golongan di mana mereka berada dalam sistem periodik. Yang tertinggi, jika mungkin, ditentukan oleh nomor grup.
- Untuk unsur-unsur dari subkelompok sekunder, valensi maksimum yang mungkin sama dengan nomor golongannya dalam tabel periodik.
Penentuan valensi unsur kimia menurut rumus senyawa dilakukan dengan menggunakan algoritma berikut:
- Tulis nilai yang diketahui untuk salah satu unsur di atas tanda kimianya. Misalnya, dalam Mn2O7 valensi oksigen adalah II.
- Hitung nilai total, di mana Anda perlu mengalikan valensi dengan jumlah atom dari unsur kimia yang sama dalam molekul: 27=14.
- Tentukan valensi elemen kedua yang tidak diketahui. Bagilah nilai yang diperoleh pada langkah 2 dengan jumlah atom Mn dalam molekul.
- 14: 2=7. Valensi mangan dalam oksida yang lebih tinggi adalah VII.
Valensi konstan dan variabel
Nilai valensi hidrogen dan oksigen berbeda. Misalnya, belerang dalam senyawa H2S adalah bivalen, dan dalam rumus SO3 adalah heksavalen. Karbon membentuk monoksida CO dan dioksida CO2 dengan oksigen. Pada senyawa pertama, valensi C adalah II, dan pada senyawa kedua, IV. Nilai yang sama dalam metana CH4.
Kebanyakanunsur menunjukkan tidak konstan, tetapi valensi variabel, misalnya, fosfor, nitrogen, belerang. Pencarian penyebab utama fenomena ini menyebabkan munculnya teori ikatan kimia, gagasan tentang kulit valensi elektron, dan orbital molekul. Adanya perbedaan nilai dari sifat yang sama dijelaskan dari sudut pandang struktur atom dan molekul.
Ide modern tentang valensi
Semua atom terdiri dari inti positif yang dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. Kulit terluar yang mereka bentuk belum selesai. Struktur yang lengkap adalah yang paling stabil, mengandung 8 elektron (satu oktet). Munculnya ikatan kimia karena pasangan elektron yang sama mengarah ke keadaan atom yang menguntungkan secara energetik.
Aturan pembentukan senyawa adalah penyelesaian kulit dengan menerima elektron atau melepaskan elektron yang tidak berpasangan - tergantung proses mana yang lebih mudah. Jika sebuah atom menyediakan pembentukan ikatan kimia partikel negatif yang tidak memiliki pasangan, maka ia membentuk ikatan sebanyak elektron yang tidak berpasangan. Menurut konsep modern, valensi atom unsur kimia adalah kemampuan untuk membentuk sejumlah ikatan kovalen. Misalnya, dalam molekul hidrogen sulfida H2S, belerang memperoleh valensi II (–), karena setiap atom mengambil bagian dalam pembentukan dua pasangan elektron. Tanda “–” menunjukkan gaya tarik pasangan elektron ke unsur yang lebih elektronegatif. Untuk yang kurang elektronegatif, "+" ditambahkan ke nilai valensi.
Dengan mekanisme donor-akseptor, pasangan elektron dari satu unsur dan orbital valensi bebas dari unsur lain mengambil bagian dalam proses.
Ketergantungan valensi pada struktur atom
Mari kita lihat contoh karbon dan oksigen, bagaimana valensi unsur kimia tergantung pada struktur zatnya. Tabel periodik memberikan gambaran tentang karakteristik utama atom karbon:
- tanda kimia - C;
- nomor elemen - 6;
- biaya inti - +6;
- proton dalam inti - 6;
- elektron - 6, termasuk 4 elektron eksternal, 2 di antaranya membentuk pasangan, 2 tidak berpasangan.
Jika atom karbon dalam CO monoksida membentuk dua ikatan, maka hanya 6 partikel negatif yang digunakan. Untuk memperoleh oktet, pasangan harus membentuk 4 partikel negatif eksternal. Karbon memiliki valensi IV (+) dalam dioksida dan IV (–) dalam metana.
Nomor urut oksigen adalah 8, kulit valensi terdiri dari enam elektron, 2 di antaranya tidak berpasangan dan ikut serta dalam ikatan kimia dan interaksi dengan atom lain. Sebuah valensi oksigen khas adalah II (–).
Valensi dan keadaan oksidasi
Dalam banyak kasus, lebih mudah menggunakan konsep "kondisi oksidasi". Ini adalah nama yang diberikan untuk muatan atom yang akan diperolehnya jika semua elektron ikatan dipindahkan ke unsur yang memiliki nilai elektronegativitas (EO) yang lebih tinggi. Bilangan oksidasi zat sederhana adalahnol. Tanda “–” ditambahkan ke bilangan oksidasi dari unsur EO yang lebih banyak, tanda “+” ditambahkan ke yang kurang elektronegatif. Misalnya, untuk logam dari subkelompok utama, keadaan oksidasi dan muatan ion adalah tipikal, sama dengan nomor golongan dengan tanda “+”. Dalam kebanyakan kasus, valensi dan keadaan oksidasi atom dalam senyawa yang sama secara numerik sama. Hanya ketika berinteraksi dengan atom yang lebih elektronegatif, keadaan oksidasinya positif, dengan unsur-unsur di mana EO lebih rendah, itu negatif. Konsep "valensi" sering hanya diterapkan pada zat dengan struktur molekul.
