Wartościowośc pierwiastków

Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Stosunki ilościowe w związkach chemicznych / Defincja wartościowości
Wartościowość a elektrony walencyjne / Zastosowanie wartościowości / Uwagi do wartościowości /

Stosunki ilościowe w związkach chemicznych

Wiemy już, że pierwiastki łączą sie ze sobą tworząc związek chemiczny, którego najmniejszą częścią jest cząsteczka. I tu pojawia się pytanie. Czy pierwiastki mogą łączyć się ze sobą w dowolny sposób i od czego to zależy?
Otóż dowiedziono, że pierwiastki łączą się ze sobą w określonym porządku i określonych stosunkach ilościowych. Przykładem jest woda o wzorze chemicznym H₂O z którego wynika, że zawsze w cząsteczce wody na jeden atom tlenu przypadają dwa atomy wodoru. Podobnie mamy do czynienia wśród innych związków chemicznych. Jeżeli cząsteczki są tworami trwałymi, to oznacza, że między atomami musi istnieć jakieś oddziaływanie wiążące (sklejające), w przeciwnym bowiem przypadku nie trzymałyby się razem. To oddziaływanie, nazywane jest wiązaniem chemicznym.
Atomy poszczególnych pierwiastków w związkach chemicznych mogą tworzyć różne ilości wiązań, od jednego do ośmiu. Ale są pierwiastki, które w związkach chemicznych mają stałą liczbę wiązań. Na przykład atom wodoru tworzy jedno wiązanie, atom tlenu dwa wiązania, atom glinu trzy wiązania, atom węgla cztery wiązania.

Najczęściej wiązania chemiczne zaznacza się kreskami umieszczonymi przy symbolu chemicznym. Liczba wiązań chemicznych jest nazywana wartościowością. W podanych wyżej przykładach wodór jest jednowartościowy, tlen dwuwartościowy, glin trójwartościowy, a węgiel czterowartościowy.
Atomy łączą się w cząsteczkę tak, aby nie zostały wolne (nie wykorzytane wartościowości. Dokładnie ilustruje to poniższy przykład dla cząsteczki wody.

Teraz, kiedy już tyle wiemy o wartościowości pierwiastków możemy przewidzieć jaki wzór będzie miała cząsteczka wody. Pełne wykorzystanie wartościowości atomu tlenu jest możliwe dopiero wtedy, kiedy nastąpi przyłączenie dwóch atomów wodoru. I w ten sposób wzór dla cząsteczki wody będzie miał postać - H₂O.
To, że atom wodoru jest zawsze jednowartościowy i atom tlenu dwuwartościowy, zostało wykorzystane przez chemików do opracowania definicji wartościowości. Taką definicję spotkamy w wielu podręcznikach do chemii.

Defincja wartościowości

Wartościowość pierwiastka, jest to liczba, która określa ile atomów wodoru może przyłączyć albo zastąpić w cząsteczce związku chemicznego atom danego pierwiastka. Wartościowość oznacza się cyfrą rzymską jako indeks górny przy symbolu pierwiastka np. HIClI, Fe2IIIO3II, CIVO2II Uwagi 1. Tlen w związkach jest dwuwartościowy. 2. Pojęcie wartościowości odnosi się tylko do pierwiastka w związkach chemicznych a pierwiastki w stanie wolnym wykazują wartościowość zerową

Co to oznacza?

1. To oznacza, że znając stosunki ilościowe w cząsteczkach w których występują atomy wodoru lub tlenu połączone z innym pierwiastkiem, możemy zawsze obliczyć wartościowość tego pierwiastka.

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce NH₃.

Wodór zgodnie z definicją jest jednowartościowy. Ponieważ na jeden atom azotu przypadają trzy atomy wodoru to oznacza, że atom azotu jest trójwartościowy. 3*IH = 1*IIIN

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce MgO.

Tlen zgodnie z definicją jest dwuwartościowy. Ponieważ na jeden atom magnezu przypada jeden atom tlenu dwuwartościowego, to oznacza, że magnez jest dwuwartościowy. 1*IIO = 1*IIMg Podobnie uwzględniając wartościowość wodoru dla tej samej cząsteczki odczytamy, że atom magnezu jest dwuwartościowy, ponieważ atom magnezu zastępuje dwa atomy wodoru.

Przykład - określenie wartościowości pierwiastków w cząsteczce P₂O₅.

W tym przykładzie pięć atomów dwuwartościowego tlenu wnosi 10 wartościowości, które przypadają na 2 atomy fosforu, przeto fosfor jest pięciowartościowy. 5*IIO = 2*VP

Przykład: Zaznaczyć wartościowość pierwiastków w następujących związkach chemicznych; K₂O, CaO, Cl₂O₇

Wartościowość a elektrony walencyjne

Od czego zależy wartościowość pierwiastka w związkach

Otóż okazało się, że wartościowość zależy głównie od konfiguracji elektronowej atomów pierwiastka a szczególnie ilości elektronów walencyjnych. Ilość elektronów walencyjnych określa maksymalną wartościowość pierwiastka w związkach chemicznych.

Na przykład;

• wodór (konfiguracja K - (1) - jeden elektron walencyjny) jest jedno wartościowy
• siarka (konfiguracja K - (2, 8, 6) - sześć elektronów walencyjnych) jest dwuwartościowa w związku z wodorem, cztero- lub sześciowartościowa w związkach chemicznych z tlenem
• chlor (konfiguracja K - (2, 8, 7) - siedem elektronów walencyjnych) jest jednowartościowy w związku chemicznym z wodorem (HCl), ale z tlenem siedmiowartościowy
• węgiel (konfiguracja K - (2, 4) - cztery elektrony walencyjne) bywa czterowartościowy w związkach z tlenem i wodorem (CO₂, CH₄) i dwuwartościwowy z tlenem (CO)

Tabela 1 Wartościowość pierwiastków w grupach

Numer grupy	1	2	13	14	15	16	17	18
Wzór związku z tlenem	Na2O	CaO	Al2O3	SiO2	N2O5	SO3	Cl2O7	XeO4
Najwyższa wartościowość wobec tlenu	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Wzór związku z wodorem	NaH	CaH2	AlH3	CH4	NH3	H2S	HCl
Wartościowość wobec wodoru	I	II	III	IV	III	II	I	0

Najwyższa wartościowość atomów pierwiastków grup 1, 2, 13 - 18 wobec tlenu odpowiada na ogół numerom grup. Wartościowość dla grup 13 - 18 odpowiada różnicy numeru grupy i liczby 10 (wyjątkiem są tlen,fluor i większość pierwiastków grupy 18)
Wartościowość atomów pierwiastków grup 1 - 2 wobec wodoru odpowiada numerom grup, a w grupach 13 - 18 różnicy między liczbą 18 a numerem grupy.

Różne wartościowości tego samego pierwiastka

Istnieje grupa pierwiastków, która ma zmienną wartościowość. Taką zmienną wartoścowość wykazują pierwiastki grup 3 - 12 i 13 - 17. Oto typowe przykłady.

Grupa 3 - 12	Grupa 13 - 18
Żelazo: II i III Rtęć: I i II Miedź: I i II Ołów: II i IV	Azot: od I do V Fosfor: III i V Siarka: II, IV i VI Chlor: I, III, V i VII

Zastosowanie wartościowości

Do czego wykorzystamy wartościwość?

Zastosowania:

• w nazewnictwie związków chemicznych,
• w rysowaniu kreskowych (strukturalnych) wzorów chemicznych.

Nazewnictwo związków chemicznych
Wiemy że niektóre pierwiastki mogą posiadać wiele wartościowości. Przykładem jest żelazo, siarka i wiele innych. Dlatego dla rozróżnienia związków chemicznych w których pieriwastki mogą posiadać różne wartościowości do nazwy dołącza się wartościowość. Na przykład; tlenek siarki(IV) - SO₂, tlenek siarki(VI) - SO₃, kwas siarkowy(VI) - H₂SO₄, kwas siarkowy(IV) - H₂SO₃, wodorotlenek żelaza(II) - Fe(OH)₂, wodorotlenek żelaza(III) - Fe(OH)₃.

Rysowanie wzorów kreskowych
Często zachodzi potrzeba przedstawienia struktury cząsteczki. Staje się to możliwe poprzez narysowanie symboli pierwiastków i połączeń między atomami. Połączenia rysuje się za pomocą kresek. W takim połączeniu pojedyńcza kreska oznacza jedną wartościowość.

Więcej informacji o rysowaniu wzorów kreskowych będzie udostępnionych w rozdziale - wiązania chemiczne.

Uwagi do pojęcia "wartościowość"

Wartościowość jest jest starym i mocno nieprecyzyjnym pojęciem, które zostało wprowadzone po to, by ułatwić naukę początkującym chemikom. Tak naprawdę każdy pierwiastek posiada stopnień utlenienia, który w odróżnieniu od wartościowości może być dodatni bądź ujemny.

Stopień utlenienia - jest definiowany jako liczba elektronów, które dany atom przekazał lub przyjął od innego atomu w ramach tworzenia z nim wiązań chemicznych. W jaki sposób powstają wiązania chemiczne przedstawione będzie w kolejnym rozdziale.

Stopień utlenienia oznacza się cyfrą rzymską jako indeks górny przy symbolu pierwiastka np. HICl-I, Al2IIIS3-II, CIVO2-II. Stopnie utlenienia dodatnie piszemy bez znaku (+).

Ważne pojęcia

Wartościowość - określa liczbę atomów wodoru przypadających w cząstczce na jeden atom danego pierwiastka. Przyjęto, że wodór w związkach jest zawsze jednowartościowy (I), tlen - dwuwartościowy (II). Wartościowość - liczba niemianowana - może przyjmować wartości całkowite od I do VIII.

POWRÓT

DALEJ