4.4: Валенсія

Мабуть, найважливішою функцією таблиці Менделєєва є те, що вона допомагає нам прогнозувати хімічні формули часто зустрічаються сполук. У верхній частині кожної групи Менделєєв надав загальну формулу оксидів елементів в групі.

 

Заголовки рядків і стовпців з оригінальної таблиці Менделєєва. Це включає в себе номер групи, а також загальну формулу для утворених оксидів і гідридів.

Заголовок R ² O вище групи I, наприклад, означає, що ми можемо очікувати знайти такі сполуки, як H ₂ O, Li ₂ O, Na ₂ O тощо Аналогічно загальна формула RH ³ вище групи V передбачає, що сполуки NH ₃, PH ₃, VH ₃ , і АШ ₃ (серед інших) повинен існувати. Щоб забезпечити основу для перевірки цього прогнозу, формули наведені в наступній таблиці для сполук, в яких H, O або Cl об'єднані з кожним з перших двох десятків елементів (в порядку атомних ваг). Навіть серед груп елементів, описову хімію яких ми не обговорювали, можна легко підтвердити, що більшість прогнозованих формул відповідають сполукам, які насправді існують. І навпаки, більше 40 відсотків формул для відомих з'єднань О згодні з загальними формулами Менделєєва, і затінені кольором в таблиці.

Таблиця$\PageIndex{1}$: Молекулярні формули для сполук водню, кисню та хлору перших двадцяти чотирьох елементів у порядку атомної маси. *

Елемент	Атомна вага	водневі сполуки	Кисневі сполуки	сполуки хлору
Водень	1.01	Н 2	Н 2 О, Н 2 О 2	HCl
Гелій	4.00	Жодна не сформована	Жодна не сформована	Жодна не сформована
Літієві	6.94	ЛіГ	Лі 2 О, Лі 2 О 2	LicL
Берилій	9.01	БеХ 2	БеО	БеКл 2
Бор	10.81	Б 2 Ч 6	Б 2 З 3	BCL 3
Вуглець	12.01	СН 4, С 2 Н 6, С 3 Н 8 ^†	СО 2, СО, С 2 О 3	ККл 4, С 2 Сл 6
Азот	14.01	Н 3, Н 2 Н 4, Н 3	N 2 О, НІ, НІ 2, N 2 О 5	нКл 3
Кисень	16.00	Н 2 О, Н 2 О 2	О 2, О 3	<Сл 2 О, КЛ 2, Сл 2 О 7
Фтор	19.00	ВЧ	З 2, З 2 З 2	кЛФ, кЛ 3, кФ 5
Неонові	20.18	Жодна не сформована	Жодна не сформована	Жодна не сформована
Натрій	22.99	Нах	Na 2 О, Na 2 О 2	NaCl
Магній	24.31	мГг 2	MgO	MgCl 2
Алюміній	26.98	Лах 3	Всі 2 з 3	АлКл 3
кремнію	28.09	Ш 4, Сб 2 Ч 6	ІСО 2	SiCl 4, Сі 2 Сл 6
Фосфор	30.97	РН 3, П 2 Ч 4	П 4 О 10, П 4 О 6	ПКл 3, ПКл 5, П 2 Сл 4
Сірка	32.06	Н 2 С, Н 2 С 2	ТАК 2, ТАК 3	S 2 Сл 2, Сл 2, СЛ 4
хлор	35.45	HCl	Сл 2 О, КЛ 2, Сл 2 О 7	Сл 2
Калій	39.10	КХ	К 2 О, К 2 О 2, КО 2	KCl
Аргон	39.95	Жодна не сформована	Жодна не сформована	Жодна не сформована
Кальцій	40.08	Ач 2	СаО, СаО 2	CaCl 2
Скандій	44.96	Відносно нестабільний	Сб 2 О 3	SCCl 3
Титан	47.90	ТiH 2	ТіО 2, Ті 2 О 3, ТіО	ТіКЛ 4, ТіКЛ 3, ТіКЛ 2
Ванадій	50.94	ВГ 2	В 2 О 5, В 2 О 3, ВО 2, ВО	ВКл 4, Сл 3, Сл 2
Хром	52.00	CrH 2	Кр 2 О 3, КрО 2, КрО 3	КрСл 3, КрСл 2

* Для кожного елемента наведені сполуки в порядку зменшення стійкості. У деяких випадках відомі додаткові сполуки, але вони відносно нестійкі.

† Відомо безліч стабільних сполук вуглецю та водню, але обмеження простору перешкоджають перерахуванню всіх з них.

Періодичне повторення подібних формул ще більш виражено у випадку сполук Cl. Це очевидно, коли складається список індексів для Cl в поєднанні з кожним з перших 24 елементів. Звертаючись до наведеної вище таблиці, ми знаходимо HCl (індекс 1), немає з'єднання з He (індекс 0), LicL (індекс 1) і так далі.

 

Список перших двадцяти чотирьох елементів та їх індекси з Cl. Індекси Cl в порядку елемента 1, 0, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, 4, 3, 2, 2, 1, 1, 0, 2, 3, 4, 3 і 2 відповідно.

За лише двома винятками, зазначеними курсивом, принаймні одна формула для з'єднання кожного елемента відповідає послідовності індексів, які регулярно коливаються від 0 до 4 і знову до 0. (Незвичайна поведінка K і Ar буде розглянуто трохи пізніше.) Кількість атомів Cl, які поєднуються з одним атомом один одного елемента, змінюється досить регулярно, оскільки атомна маса іншого елемента збільшується. Експериментально визначені формули в першій таблиці і загальні формули в періодичній таблиці Менделєєва означають, що кожен елемент має характерну хімічну комбінуючу здатність. Ця ємність називається валентною, і вона періодично змінюється зі збільшенням атомної маси. Всі благородні гази мають валентність 0, оскільки вони майже ніколи не поєднуються з будь-яким іншим елементом. H і Cl обидва мають однакову валентність. Вони поєднуються між собою в співвідношенні 1:1, утворюючи HCl, кожен поєднується з Li в тому ж співвідношенні 1:1 (LiH і LiCl), кожен поєднується з Be в однаковому співвідношенні (BeH _{2, BeCl 2}) і так далі. Оскільки H і Cl мають однакову валентність, ми можемо передбачити, що велика кількість сполук H матиме формули, ідентичні формулам сполук Cl, за винятком, звичайно, що символ H замінить символ Cl. Правильність цього прогнозу можна перевірити, вивчивши формули, оточені сірим відтінком в першій таблиці. Комбінаційна здатність, або валентність, O, мабуть, вдвічі більше, ніж H або Cl. Два атома Н поєднуються з одним атомом O в H ₂ O Так роблять два атоми Cl або два атоми Li (Cl ₂ O і Li ₂ O). Кількість атомів, що поєднуються з одним атомом O, зазвичай вдвічі більше, ніж число, яке поєднується з одним атомом H або Cl. (Знову ж таки, консультація сірих затінених формул в першій таблиці підтвердить це твердження.) Після ретельного вивчення формул в таблиці також можна зробити висновок, що жоден з елементів (крім нереактивних благородних газів) не має менших валентностей, ніж H або Cl. Звідси ми призначаємо валентність від 1 до Н і до Cl. Валентність O в два рази більше, і тому ми привласнюємо значення 2.

Приклад$\PageIndex{1}$: Formula Predictions

Використовуйте дані першої таблиці, щоб передбачити, яка формула буде очікуватися для з'єднання, що містить (а) натрій і фтор; (б) кальцій і фтор.

Рішення

а) З таблиці можна отримати наступні формули для найбільш поширених сполук натрію:

Ah Na ₂ O NaCl

Все це означало б, що натрій має валентність 1. Для сполук фтору ми маємо

ВЧ _{2 КЛФ}

які означають, що фтор також має валентність 1. Тому формула, ймовірно,

NaF

б) Ми вже знаємо, що валентність фтору дорівнює 1. Для кальцію формули

Ач ₂ АО СаСл ₂

сперечаються на користь валентності 2. Тому формула найімовірніша

СаФ ₂

У деяких випадках один елемент може поєднуватися більш ніж одним способом з іншим. Наприклад, ви вже стикалися зі сполуками HgBr ₂ і Hg ₂ Br ₂. Є багато інших прикладів такої змінної валентності в першій таблиці. Проте в своїх найпоширеніших сполуках кожен елемент зазвичай проявляє одну характерну валентність, незалежно від того, який його партнер. Тому можна використовувати цю валентність для прогнозування формул. Змінна валентність елемента може розглядатися як виняток із правила конкретної об'єднаної здатності для кожного елемента. Експериментальне спостереження про те, що даний елемент зазвичай має певну валентність, можна пояснити, якщо припустити, що кожен його атом має фіксовану кількість валентних ділянок. Один з цих сайтів буде потрібно з'єднатися з однією ділянкою на іншому атомі. Іншими словами, атоми благородного газу, такі як Ar або Ne, не мали б об'єднаних ділянок, атоми H і Cl мали б по одному валентному майданчику кожен, атом O мав би два, і так далі. Змінна валентність повинна включати атоми, в яких деякі валентні сайти більш легко використовуються, ніж інші. Наприклад, у випадку F сполук Cl (ClF, ClF ₃, _{ClF 5}) формули мають на увазі, що принаймні п'ять валентних сайтів доступні на Cl. Тільки один з них використовується в CLF і в більшості сполук хлору в таблиці. Інші, мабуть, менш доступні. Включення Менделєєвим загальних формул над стовпцями його періодичної таблиці вказує на те, що таблиця може використовуватися для прогнозування валентностей елементів і формул для їх сполук. Можна дотримуватися двох загальних правил:

1. У періодичних групах I - IV число групи є найбільш поширеною валентністю.
2. У періодичних групах від V до VII найбільш поширена валентність дорівнює 8 мінус номер групи, або самому номеру групи.

Для груп V - VII число групи дає валентність тільки тоді, коли розглянутий елемент поєднується з киснем, фтором або, можливо, одним з інших галогенів. В іншому випадку 8 мінус номер групи є правилом.

Приклад$\PageIndex{2}$: Compound Formulas

Використовуйте сучасні періодичні для прогнозування формул сполук, утворених з (а) алюмінію і хлору; (б) фосфору і хлору. Скористайтеся таблицею на цій сторінці, щоб перевірити свій прогноз.

Рішення

а) Алюміній знаходиться в групі III, і тому правило 1 прогнозує валентність 3. Хлор знаходиться в групі VII і не поєднується з киснем або фтором, і тому його валентність становить 8-7 = 1 за правилом 2. Кожен алюміній має три валентні ділянки, тоді як кожен хлор має лише один, і тому для задоволення одного алюмінію потрібно три атоми хлору, а формула - AlCl ₃.

б) Знову хлор має валентність 1. Фосфор знаходиться в групі V і може мати валентність 5 або 8 - 5 = 3. Тому ми прогнозуємо формули pCl ₅ або pCl ₃. Примітка: Усі три передбачені формули відображаються в таблиці на цій сторінці.