Техно
Четверг, 29.07.2021, 05:08
Приветствую Вас Гость | RSS
Открытие валентности (химической связи атомов)
Открытие валентности (химической связи атомов) - История - О людях, развивающих науку - Каталог статей - Техно - интересное в науке и техникеГлавная Каталог статейРегистрацияОткрытие валентности (химической связи атомов) - История - статьи о науке, психологии, техники и технологияхВходОткрытие валентности (химической связи атомов)
Меню сайта

Категории каталога
История [19]
Новости
Наш опрос
Какие средства связи Вы используете
Всего ответов: 282
Главная » Статьи » О людях, развивающих науку » История [ Добавить статью ]

Открытие валентности (химической связи атомов)




Происхождение термина «валентность» представляется возможным отследить с 1425 года, когда его начали использовать в научных текстах в значении «экстракт», «препарат». Первое использование в современных понятийных границах зафиксировано в 1884 году.

В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал работу, в которой высказал предположение о существовании связей между мельчайшими частицами вещества, однако представление о химической связи атомов в молекуле, по сути, отсутствовало вплоть до середины XIX века. Собственно говоря, отсутствовало и само атомно-молекулярное учение, оно было лишь одной их гипотез, которую многие химики подвергали сомнению. Тем не менее уже тогда существовали химические формулы и уравнения, в той или иной мере отражавшие определенные превращения веществ. Что же это были за формулы и как их составляли, ведь атомы и молекулы еще считались чем-то потусторонним, недоступным для непосредственного изучения?

Основой для формулы вещества был его элементарный состав. Известно, например, что вода состоит из водорода и кислорода, причем их весовое отношение в воде — 1:8. Во всех соединениях, где обнаруживался водород, на его долю всегда приходился наименьший весовой «пай». Весовое содержание других элементов всегда было больше. Если вместо водорода в вещество вводился другой элемент, то «пайный» вес этого элемента также оказывался значительно большим, чем вес замещенного им водорода. «Пайный» вес водорода в воде был принят за единицу, а весовое количество любого другого элемента, способного соединяться с «паем» водорода в воде, стали выражать в этих единицах. Если в воде кислорода в восемь раз больше, чем водорода, значит, «пайный» вес кислорода равен 8.

Количество какого-либо другого элемента, соединяющееся с весовым «паем» водорода в воде или, что аналогично, с одним «паем» кислорода, равным 8, называли «пайным» (или эквивалентным) весом этого элемента. Закон простых кратных отношений был своего рода «квантовой теорией» химии XIX века: элементы соединяются друг с другом определенными порциями, что и приводит к их целочисленным весовым отношениям. Эквивалентные веса и были этими «квантами» (порциями), вступающими в химическое соединение.

Каждый элементарный «пай» обозначался символом соответствующего элемента — Н, О и т. п. В воде, по условию, на один «пай» водорода приходился один «пай» кислорода. Отсюда давняя формула воды — НО. Долгое время для углерода принимался «пайный» вес 6, и формула метана писалась в виде С2Н4. Сто с небольшим лет назад химические формулы многих веществ имели столь же странный и непривычный для нас вид (Н5 — сероводород, КО + НО — едкий калий и т. п.).

Не надо считать эти формулы абсурдными: определенную часть истинно химического смысла они все же отражали — элементарный состав вещества, весовое соотношение входящих в него элементов. Современному читателю легко заметить, что «пайные» веса углерода (6), кислорода (8), азота (7), серы (16) равны половине их атомных весов, принятых сегодня. Однако в то время истинный атомный вес определять не умели. Если элементы и называли «атомами», то лишь подразумевая под этим некоторое минимальное количество элемента, вступающее в химическое соединение.

Основой для дальнейшего движения вперед послужило развитие представлений о химической частице (молекуле) и окончательное принятие большинством химиков атомно-молекулярного учения. В связи с этим был сформулирован важнейший для химии вопрос: сколько атомов того или иного сорта способен присоединять к себе данный атом и является ли это число постоянным, характерным для рассматриваемого элемента?

Ответить на этот вопрос было бы не так трудно, если бы различные элементы всегда соединялись друг с другом только в строго постоянных отношениях. Однако сплошь и рядом эта столь желанная простота не обнаруживалась. К примеру, многие металлы образуют по два, а то и по три различных соединения с кислородом, а азот дает их целых пять. Это же свойство многие элементы проявляют и в соединениях с хлором, серой, водородом и т. д. В бесконечном множестве соединений углерода вообще с трудом можно отыскать закон кратных отношений: он соединяется с другими элементами в самых причудливых и далеко не всегда простых отношениях.

Но вот в 1849 году 23-летний английский химик Эдуард Франкленд открывает новый класс органических соединений, в которых атомы металла связаны с простейшими остатками органических молекул — радикалами (метилом, этилом и т. п.). Сначала он получил органические соединения цинка, затем — ртути, бора, олова, свинца. Новые соединения обладали удивительными, совершенно новыми свойствами и привлекли к себе общее внимание, к тому же число их быстро росло.

Уже в 1853 году Франкленд обнаружил одно любопытное явление. Он заметил, что каждый металл, для которого были известны соединения с органическими радикалами, образует только одно соединение этого типа. В летучих, то есть способных к перегонке металло­органических соединениях, цинк и ртуть всегда соединяются только с двумя метальными радикалами, бор — с тремя, олово и свинец — с четырьмя. Сразу же возникла мысль, что именно эти числа характеризуют способность элементов к соединению друг с другом. Сопоставляя свои наблюдения с материалом, накопленным неорганической химией, Франкленд впервые выдвинул утверждение, что каждому элементу присуще лишь определенное количество «единиц сродства», при помощи которых атомы соединяются в молекулу.

Победа атомистического учения и определение точных атомных весов углерода и кислорода, выполненное Станислао Канниццаро в 1858 году, вскоре позволили придать более совершенную формулировку первоначальной мысли Франкленда. А именно: «Валентность — это свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. За единицу измерения валентности принята валентность водорода».

В 1858 году шотландский химик Арчибальд Скотт Купер своими исследованиями создал базу для формирования теории химического строения органических соединений. В этом году он публикует статью «О новой химической теории», в которой высказывает новые идеи о строении органических веществ. Идеи Купера развивали представления Эдуарда Франкленда о «соединительной силе» элементов. Купер использовал термины «сродство элементов» в значении «способность атомов элемента избирательно соединяться с атомами других элементов», а также «степень сродства» — собственно количественная мера сродства.

По Куперу, элементы обладают сродством к другим элементам, а соединения образуются в соответствии с этим сродством. Высшая степень сродства углерода равна 4, то есть на один атом углерода может приходиться до четырех атомов водорода, хлора и подобных элементов. Важным было утверждение Купера о способности атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи. Для ряда веществ Купер также предложил формулы, в которых сродство атомов было показано черточками.

Однако, будучи теоретиком, при составлении своих формул Купер не опирался на их экспериментальное обоснование. Порядок соединения атомов он выводил из формальных умозрительных представлений о «единицах сродства» разных элементов. Вопрос об экспериментальном подтверждении правильности формул Купер даже не ставил. Поэтому, строго говоря, утверждения Купера нельзя считать теорией в современном значении этого слова.

Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле. В 1857 году он показал, что углерод является четырехосновным (четырехатомным) элементом и его простейшим соединением является метан СН4. Уверенный в истинности своих представлений о валентности атомов, Кекуле ввел их в свой учебник органической химии: основность, по мнению автора, — фундаментальное свойство атома, такое же постоянное и неизменяемое, как и атомный вес.

Уже три года спустя, в сентябре 1861 года, в теорию валентности вносит важнейшие дополнения А. М. Бутлеров. Проведя четкое различие между свободным атомом и атомом, вступившим в соединение с другим, когда его сродство «связывается и переходит в новую форму», Бутлеров вводит представление о полноте использования сил сродства и о «напряжении сродства», то есть энергетической неэквивалентности связей, которая обусловлена взаимным влиянием атомов в молекуле. В результате этого взаимного влияния атомы, в зависимости от их структурного окружения, приобретают различное «химическое значение». Теория Бутлерова позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности.

Несомненным достоинством теории валентности явилась возможность наглядного изображения молекулы. В 1860-х годах появляются первые молекулярные модели.

Уже в 1864 году А. Браун предложил использовать структурные формулы в виде окружностей с помещенными в них символами элементов, соединенных линиями, обозначающими химическую связь между атомами; количество линий соответствовало валентности атома. В 1865 году А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары, а в 1866-м в учебнике Кекуле появились рисунки стереохимических моделей, в которых атом углерода имел форму тетраэдра.

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента при этом выражалась числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента. Таким образом, валентность такого рода называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: например, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность хлора по водороду равна единице, кислорода — двум, азота — трем, углерода — четырем.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного со­единения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента. Валентность, определенная таким образом, называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода — двум, азота — трем, кремния — четырем, серы — шести.

У большинства элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H2S), а по кислороду — шести (SO3). Известно, что большинство элементов проявляют в разных соединениях различную валентность (некоторые элементы могут не иметь ни гидридов, ни оксидов). Например, углерод образует с кислородом два оксида: монооксид углерода CO и диоксид углерода CO2. В монооксиде углерода валентность углерода равна двум, а в диоксиде — четырем (некоторые элементы способны образовывать также пероксиды). Из рассмотренных примеров следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом и/или методом, как правило, нельзя.

С тех пор прошло более ста лет. За эти годы в химии произошло больше изменений, чем за предыдущие лет пятьсот. Существенно обновилось и содержание, которое раньше вкладывалось в представление о валентности. Теперь уже совершенно очевидно, что валентность тесно связана с электронным строением атомов. К тому же представляется вполне логичным, что максимально возможная валентность атома равна либо числу его внешних (валентных) электронов, которые он в принципе может отдать, либо числу свободных мест в его электронной оболочке, куда он может принять чужие электроны. Но даже с этими дополнениями определение валентности, данное Франклендом, остается все же удовлетворительным и достаточно полно отражающим современное содержание учения о валентности.

Химическая связь атомов: Эдуард Франкленд, Арчибальд Скотт Купер, Фридрих Август Кекуле, Александр Бутлеров

Бутлеров, Купер, Кекуле, валентность, Франкленд

Похожие материалы:

© Все права защищены. Любое использование материалов с этого сайта только с письменного разрешения и с использованием работающей гиперссылки на сайт NewsTex - новости технологий и науки

Категория: История | Добавил: newstex (17.06.2021)
Просмотров: 15 | Рейтинг: 0.0/0 |
Всего комментариев: 0
avatar


Форма входа
Логин:
Пароль:
Новости техники и науки
Поиск
Друзья сайта

Статистика

Онлайн всего: 2
Гостей: 2
Пользователей: 0
Copyright MyCorp © 2021