سطح دانش در مورد ساختار اتم ها و مولکول ها در قرن نوزدهم اجازه نمی دهد دلیل اینکه چرا اتم ها تعداد معینی پیوند با سایر ذرات تشکیل می دهند را توضیح دهد. اما ایده های دانشمندان جلوتر از زمان خود بود و ظرفیت هنوز به عنوان یکی از اصول اولیه شیمی مورد مطالعه قرار می گیرد.
از تاریخچه مفهوم "ظرفیت عناصر شیمیایی"
شیمیدان برجسته انگلیسی قرن نوزدهم، ادوارد فرانکلند، اصطلاح "پیوند" را برای توصیف فرآیند برهمکنش اتم ها با یکدیگر وارد کاربرد علمی کرد. این دانشمند متوجه شد که برخی از عناصر شیمیایی با همان تعداد اتم دیگر ترکیباتی را تشکیل می دهند. برای مثال، نیتروژن سه اتم هیدروژن را در مولکول آمونیاک می‌چسباند.
در می 1852، فرانکلند این فرضیه را مطرح کرد که تعداد خاصی از پیوندهای شیمیایی وجود دارد که یک اتم می تواند با دیگر ذرات ریز ماده تشکیل دهد. فرانکلند از عبارت «نیروی اتصال» برای توصیف چیزی که بعداً به آن «والانس» می‌گویند استفاده کرد. شیمیدان انگلیسی تعیین کرد که چقدرپیوندهای شیمیایی اتم های عناصر منفرد را تشکیل می دهند که در اواسط قرن نوزدهم شناخته شدند. کار فرانکلند کمک مهمی به شیمی ساختاری مدرن بود.
توسعه نگرش
شیمیدان آلمانی F. A. Kekule در سال 1857 ثابت کرد که کربن یک کربن چهار باز است. در ساده ترین ترکیب آن - متان - پیوندهایی با 4 اتم هیدروژن وجود دارد. این دانشمند از اصطلاح "پایه بودن" برای نشان دادن خاصیت عناصر برای اتصال تعداد مشخصی از ذرات دیگر استفاده کرد. در روسیه، داده های مربوط به ساختار ماده توسط A. M. Butlerov (1861) سیستماتیک شد. نظریه پیوند شیمیایی به لطف دکترین تغییر دوره ای در خواص عناصر توسعه بیشتری یافت. نویسنده آن یکی دیگر از شیمیدان برجسته روسی، D. I. Mendeleev است. او ثابت کرد که ظرفیت عناصر شیمیایی در ترکیبات و سایر خواص به دلیل موقعیتی است که آنها در سیستم تناوبی دارند.
نمایش گرافیکی ظرفیت و پیوند شیمیایی
امکان نمایش بصری مولکول ها یکی از مزایای بدون شک تئوری ظرفیت است. اولین مدل ها در دهه 1860 ظاهر شدند و از سال 1864 از فرمول های ساختاری استفاده شد که دایره هایی با یک علامت شیمیایی در داخل هستند. بین نمادهای اتم ها، یک خط تیره نشان دهنده یک پیوند شیمیایی است و تعداد این خطوط برابر با مقدار ظرفیت است. در همان سال ها اولین مدل های توپ و چوب ساخته شد (عکس سمت چپ را ببینید). در سال 1866، ککوله یک طراحی استریوشیمیایی اتم را پیشنهاد کرد.کربن به شکل چهار وجهی، که او در کتاب درسی شیمی آلی خود گنجانده است.
ظرفیت عناصر شیمیایی و پیدایش پیوندها توسط G. Lewis مورد مطالعه قرار گرفت که آثار خود را در سال 1923 پس از کشف الکترون منتشر کرد. این نام کوچکترین ذرات باردار منفی است که بخشی از پوسته اتم ها هستند. لوئیس در کتاب خود از نقاط اطراف چهار طرف نماد عنصر شیمیایی برای نشان دادن الکترون‌های ظرفیت استفاده کرد.
ظرفیت هیدروژن و اکسیژن
قبل از ایجاد سیستم تناوبی، ظرفیت عناصر شیمیایی در ترکیبات معمولاً با آن اتم هایی که به آن شناخته شده است مقایسه می شد. هیدروژن و اکسیژن به عنوان استاندارد انتخاب شدند. عنصر شیمیایی دیگری تعداد معینی از اتم های H و O را جذب یا جایگزین کرد.
به این ترتیب خواص در ترکیبات دارای هیدروژن تک ظرفیتی تعیین شد (ظرفیت عنصر دوم با عدد رومی نشان داده می شود):
- HCl - کلر (I):
- H2O - اکسیژن (II);
- NH3 - نیتروژن (III);
- CH4 - کربن (IV).
در اکسیدهای K2O، CO، N2O3، SiO 2، SO3 ظرفیت اکسیژن فلزات و غیرفلزات را با دو برابر کردن تعداد اتم‌های O اضافه شده تعیین کردند. مقادیر زیر به دست آمد: K (I)، C (II)، N (III)، Si (IV)، S (VI).
نحوه تعیین ظرفیت عناصر شیمیایی
در تشکیل پیوند شیمیایی که شامل الکترونیک رایج است، نظم‌هایی وجود دارد.زوج ها:
- ظرفیت هیدروژن معمولی I است.
- ظرفیت معمولی اکسیژن - II.
- برای عناصر غیر فلزی، کمترین ظرفیت را می توان با فرمول 8 تعیین کرد - تعداد گروهی که در سیستم تناوبی در آن قرار دارند. بالاترین، در صورت امکان، با شماره گروه تعیین می شود.
- برای عناصر زیرگروه های ثانویه، حداکثر ظرفیت ممکن با تعداد گروه آنها در جدول تناوبی یکسان است.
تعیین ظرفیت عناصر شیمیایی با توجه به فرمول ترکیب با استفاده از الگوریتم زیر انجام می شود:
- مقدار شناخته شده یکی از عناصر بالای علامت شیمیایی را بنویسید. برای مثال، در Mn2O7 ظرفیت اکسیژن II است.
- مقدار کل را محاسبه کنید، که برای آن باید ظرفیت را در تعداد اتم های همان عنصر شیمیایی در مولکول ضرب کنید: 27=14.
- ظرفیت عنصر دومی که برای آن ناشناخته است را تعیین کنید. مقدار به دست آمده در مرحله 2 را بر تعداد اتم های منگنز در مولکول تقسیم کنید.
- 14: 2=7. ظرفیت منگنز در اکسید بالاتر آن VII است.
ظرفیت ثابت و متغیر
مقادیر ظرفیت برای هیدروژن و اکسیژن متفاوت است. به عنوان مثال، گوگرد در ترکیب H2S دو ظرفیتی است و در فرمول SO3 شش ظرفیتی است. کربن مونوکسید CO و دی اکسید CO2 را با اکسیژن تشکیل می دهد. در ترکیب اول ظرفیت C II و در ترکیب دوم IV است. مقدار مشابه در متان CH4.
بیشترینعناصر نه یک ظرفیت ثابت، بلکه یک ظرفیت متغیر را نشان می دهند، به عنوان مثال، فسفر، نیتروژن، گوگرد. جست‌وجوی علل اصلی این پدیده منجر به پیدایش نظریه‌های پیوند شیمیایی، ایده‌هایی در مورد لایه ظرفیتی الکترون‌ها و اوربیتال‌های مولکولی شد. وجود مقادیر مختلف از یک ویژگی از دیدگاه ساختار اتم ها و مولکول ها توضیح داده شد.
ایده های مدرن درباره ظرفیت
همه اتم ها از یک هسته مثبت تشکیل شده اند که توسط الکترون هایی با بار منفی احاطه شده است. پوسته بیرونی که آنها تشکیل می دهند ناتمام است. ساختار تکمیل شده پایدارترین ساختار است که شامل 8 الکترون (یک اکتت) است. ظهور یک پیوند شیمیایی به دلیل جفت‌های الکترون مشترک منجر به وضعیت انرژی مطلوب اتم‌ها می‌شود.
قانون تشکیل ترکیبات تکمیل شدن پوسته با پذیرش الکترون ها یا دادن الکترون های جفت نشده است - بسته به اینکه کدام فرآیند آسان تر است. اگر یک اتم برای تشکیل یک پیوند شیمیایی ذرات منفی که یک جفت ندارند فراهم کند، آنگاه به تعداد الکترون‌های جفت نشده‌اش پیوند ایجاد می‌کند. بر اساس مفاهیم مدرن، ظرفیت اتم های عناصر شیمیایی توانایی تشکیل تعداد معینی پیوند کووالانسی است. به عنوان مثال، در یک مولکول سولفید هیدروژن H2S، گوگرد ظرفیت II (-) را به دست می آورد، زیرا هر اتم در تشکیل دو جفت الکترون شرکت می کند. علامت "-" نشان دهنده جاذبه یک جفت الکترون به یک عنصر الکترونگاتیو تر است. برای یک الکترونگاتیو کمتر، "+" به مقدار ظرفیت اضافه می شود.
با مکانیسم دهنده-گیرنده، جفت الکترون یک عنصر و اوربیتال های ظرفیت آزاد عنصر دیگر در این فرآیند شرکت می کنند.
وابستگی ظرفیت به ساختار اتم
بیایید به مثال کربن و اکسیژن نگاه کنیم که چگونه ظرفیت عناصر شیمیایی به ساختار ماده بستگی دارد. جدول تناوبی ایده ای از ویژگی های اصلی اتم کربن ارائه می دهد:
- علامت شیمیایی - C;
- عنصر - 6;
- شارژ هسته - +6;
- پروتون در هسته - 6;
- الکترون - 6، از جمله 4 الکترون خارجی، که 2 تای آنها یک جفت تشکیل می دهند، 2 الکترون جفت نشده اند.
اگر یک اتم کربن در مونوکسید CO دو پیوند ایجاد کند، آنگاه تنها 6 ذره منفی به کار می رود. برای به دست آوردن یک هشت، لازم است که جفت ها 4 ذره منفی خارجی تشکیل دهند. کربن دارای ظرفیت IV (+) در دی اکسید و IV (-) در متان است.
تعداد ترتیبی اکسیژن 8 است، لایه ظرفیتی از شش الکترون تشکیل شده است که 2 تای آنها جفت تشکیل نمی دهند و در پیوند شیمیایی و برهمکنش با اتم های دیگر شرکت می کنند. یک ظرفیت معمولی اکسیژن II (-) است.
ظرفیت و حالت اکسیداسیون
در بسیاری از موارد استفاده از مفهوم "حالت اکسیداسیون" راحت تر است. این نامی است که به بار یک اتم داده می‌شود که اگر تمام الکترون‌های پیوندی به عنصری منتقل شوند که مقدار الکترونگاتیوی (EO) بالاتری دارد، به دست می‌آورد. عدد اکسایش در یک ماده ساده استصفر علامت "-" به حالت اکسیداسیون عنصر EO بیشتر اضافه می شود، علامت "+" به عنصر کمتر الکترونگاتیو اضافه می شود. به عنوان مثال، برای فلزات زیر گروه های اصلی، حالت های اکسیداسیون و بارهای یونی معمولی هستند، که برابر با شماره گروه با علامت "+" است. در بیشتر موارد، ظرفیت و حالت اکسیداسیون اتم ها در یک ترکیب از نظر عددی یکسان است. فقط هنگام تعامل با اتم های الکترونگاتیو بیشتر، حالت اکسیداسیون مثبت است و با عناصری که EO در آنها کمتر است، منفی است. مفهوم "ظرفیت" اغلب فقط در مورد مواد دارای ساختار مولکولی به کار می رود.
