Valencia estequiométrica

La valencia estequiométrica (valencia formal) de un elemento químico es un número entero del 1 al 8 que caracteriza a este elemento y ayuda a componer las fórmulas químicas correctas de compuestos simples ( daltónidos sin homocadenas [1] ) con la participación de este elemento.

Antecedentes históricos

A principios del siglo XIX, J. Dalton formuló la ley de las razones múltiples , de la que se deducía que un átomo de un elemento químico puede combinarse con uno, dos, tres, etc. átomos de otro elemento, y un número impar de los atomos pueden caer sobre dos atomos de un elemento otro elemento quimico. Así, los óxidos de nitrógeno tienen las fórmulas N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 y N 2 O 5 . Después de que se determinaron los pesos relativos exactos de los átomos ( J. Ya. Berzelius y otros), quedó claro que la mayor cantidad de otros átomos con los que se puede combinar un átomo dado no excede un cierto valor, individual para cada elemento químico. Por ejemplo, un átomo de flúor F puede combinarse con un solo átomo de hidrógeno H, un átomo de oxígeno O - con dos átomos de H, un átomo de nitrógeno N - con tres átomos de H, un átomo de carbono C - con cuatro átomos de H, respectivamente, formando compuestos HF, H 2 O, NH 3 y CH 4 (elementos en los que cada átomo es capaz de combinarse con cinco o más átomos de H son desconocidos en química ; ver estado de oxidación ). Una característica cuantitativa de la capacidad de los átomos de un elemento químico para combinarse con un cierto número de átomos de otro elemento químico se denominó posteriormente valencia (la idea pertenece a E. Frankland , 1853 [2] ; el término fue introducido por el químico alemán K. Wichelhaus, 1868 [3] ). La ley periódica de D. I. Mendeleev (1869) reveló la dependencia de la valencia de un elemento de su posición en el sistema periódico de elementos químicos . Esta dependencia jugó un papel extremadamente importante en el desarrollo de la química: conociendo solo la posición de un elemento (incluidos los elementos que aún no se habían descubierto en ese momento) en el sistema periódico, era posible determinar sus posibilidades de valencia, predecir la composición de sus compuestos y posteriormente sintetizarlos. Usando el concepto de valencia formal (estequiométrica), los químicos lograron generalizar y sistematizar un enorme material experimental sobre la estructura, composición estequiométrica y propiedades de muchos compuestos inorgánicos y orgánicos simples .

Encontrar la valencia estequiométrica

Como con cualquier otra cantidad medible , encontrar el valor de la valencia estequiométrica se basa en el uso de un estándar . Inicialmente, se adoptó la valencia del hidrógeno como unidad de valencia. Se supuso que la valencia de un elemento químico era igual al número de átomos de hidrógeno que se unen a sí mismos o reemplazan un átomo de un elemento dado en los compuestos (valencia de hidrógeno) [4] . Dado que el hidrógeno no forma compuestos con todos los elementos químicos, también se introdujeron otros estándares auxiliares de valencia: la valencia del flúor (la valencia estequiométrica del flúor en todos sus compuestos es igual a una unidad de valencia de hidrógeno) y la valencia del oxígeno (la valencia estequiométrica del oxígeno en la mayoría de los de sus compuestos es igual a dos unidades de hidrógeno de valencia). La valencia de los elementos que no se combinan con el hidrógeno se determina a partir de sus compuestos con aquellos elementos cuya valencia se conoce. El oxígeno y, especialmente, el flúor son convenientes porque los compuestos con ellos forman la mayoría de los elementos químicos. Por lo tanto, la valencia estequiométrica es un valor cuyo valor muestra con cuántos átomos monovalentes se puede combinar un átomo de un elemento químico dado (o cuántos átomos puede reemplazar) cuando se forma un compuesto químico.

L. Meyer (1864) posee [5] la definición moderna de valencia estequiométrica [6] [7] :

,

donde M A  es la masa atómica del elemento, M E  es su masa equivalente en un compuesto químico, V  es la valencia del elemento en el compuesto dado. Es importante que las masas atómica y equivalente sean cantidades medibles experimentalmente, para que la valencia estequiométrica pueda calcularse mediante esta fórmula, incluso para elementos que no forman hidruros u óxidos , es decir, aquellos elementos para los que es imposible determinar directamente la valencia por hidrógeno u oxígeno. La valencia determinada por esta fórmula se encuentra de acuerdo con la composición estequiométrica del compuesto, de ahí el nombre - valencia estequiométrica . Dado que están guiados por un signo formal, la fórmula de un compuesto químico, el origen del segundo nombre se vuelve claro: valencia formal (fórmula) .

De acuerdo con las fórmulas empíricamente establecidas de compuestos químicos, se compilaron tablas de valencias de elementos. Elementos cuya valencia estequiométrica es siempre 1: H, Li, F, Na, K, Rb, Cs; elementos cuya valencia estequiométrica es siempre igual a 2: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn; elementos cuya valencia estequiométrica es siempre 3: B, Al, Sc, Y, La. La mayoría de los elementos químicos tienen una valencia estequiométrica variable. Entonces, en los óxidos de nitrógeno, cuyas fórmulas se dan arriba, la valencia estequiométrica del nitrógeno varía de 1 a 5.

Valores de valencia estequiométrica de elementos químicos [8] :

número atómico Elemento Valencia
6 Carbono C (2), 4
7 Nitrógeno N 1, 2, 3, 4, 5
catorce Silicio Si (2), 4
quince Fósforo P (1), 3, 5
dieciséis Azufre S 2, 4, 6
17 Cloro Cl 1, (2), 3, (4), 5, 7
22 Titanio Ti 2, 3, 4
23 Vanadio V 2, 3, 4, 5
24 Cr cromo 2, 3, 6
25 manganeso manganeso 2, (3), 4, (6), 7
26 Fe de hierro 2, 3, (4), (6)
27 cobalto co 2, 3, (4)
28 Níquel Ni (1), 2, (3), (4)
29 Cobre Cu 1, 2, (3)
31 Ga de galio (2), 3
32 Germanio Ge 2, 4
33 Arsénico como (2), 3, 5
34 Selenio Se 2, 4, 6
35 Bromo Br 1, (3), (4), 5
36 Krypton Kr 2
40 Zirconio Zr (2), (3), 4
41 Nb de niobio (2), 3, (4), 5
42 Molibdeno Mo (2), 3, (4), (5), 6
43 Tecnecio Tc 1, 4, 5, 6, 7
44 rutenio ru (2), 3, 4, (6), (7), 8
45 Rodio Rh (2), (3), 4, (6)
46 Paladio paladio 2, 4, (6)
47 Ag plata 1, (2), (3)
48 CD de cadmio (12
49 indio _ (1), (2), 3
cincuenta Estaño Sn 2, 4
51 Antimonio Sb 3, (4), 5
52 Telurio Te 2, 4, 6
53 yodo yo 1, (3), (4), 5, 7
54 Xenón Xe 1, 2, 4, 6, 8
58 Cerio ce 3, 4
59 praseodimio pr 3
60 Nd de neodimio 3, 4
61 prometio pm 3
62 Samario Sm (2), 3
63 europio ue (2), 3
64 Gadolinio Dios 3
sesenta y cinco Terbio Tb 3, 4
66 Disprosio Dy 3
67 Holmio Ho 3
68 Erbio Er 3
69 tulio tm (2), 3
70 Iterbio Yb (2), 3
71 lulu _ 3
72 Hafnio Hf 2, 3, 4
73 Ta de tantalio (3), (4), 5
74 Tungsteno W (2), (3), (4), (5), 6
75 Renio Re (1), 2, (3), 4, (5), 6, 7
76 osmio os (2), 3, 4, 6, 8
77 iridio ir (1), (2), 3, 4, 6
78 platino platino (1), 2, (3), 4, 6
79 Au oro (1), (2), 3
80 Mercurio Hg 12
81 Talio Tl 1, (2), 3
82 Plomo de plomo 2, 4
83 Bismuto Bi (1), (2), 3, (4), (5)
84 Polonio Po 2, 4, (6)
85 astato en 1, (4), 5
86 Rn del radón 2, 4, 6
87 francio franco ?
88 Radio Ra 2
89 actinio ac 3
90 Torio Th cuatro
91 Protactinio Pa 3, 5
92 Urano U (2), 3, 4, (5), 6
93 Np de neptunio 2, 3, 4, 7
94 Plutonio Pu 2, 3, 4, 5, 6, (7)

Los valores raramente observados de valencia estequiométrica se indican entre paréntesis.

La valencia estequiométrica de un elemento químico depende de su posición en el sistema periódico. La valencia más alta de un elemento químico no puede exceder el número de grupo de la forma abreviada del sistema periódico en el que se encuentra este elemento ( el cobre Cu, la plata Ag y el oro Au son excepciones). El rutenio Ru, el osmio Os y el xenón Xe pueden presentar una valencia estequiométrica 8 . La valencia más baja es igual a la diferencia (8 - N), donde N es el número del grupo en el que se encuentra este elemento. La valencia de hidrógeno de los elementos tiene un valor máximo de 4, que es alcanzado por los elementos del grupo IV del sistema periódico. Los elementos de los grupos V-VII en sus compuestos con hidrógeno exhiben una valencia más baja. En los compuestos binarios, el elemento ubicado a la derecha o arriba en la tabla periódica de elementos muestra la valencia más baja, y el elemento ubicado a la izquierda o abajo muestra la valencia más alta. Por ejemplo, en combinación con el oxígeno, el azufre exhibe una valencia más alta de 6, respectivamente, la fórmula del óxido de azufre (anhídrido sulfúrico) SO 3 . Para los no metales, por regla general, para la mayoría de los compuestos, dos valencias son características: superior e inferior. Entonces, el azufre tiene una valencia más alta de 6 y una más baja (8 - 6) \u003d 2; el fósforo se caracteriza por las valencias 5 y (8 - 5) \u003d 3.

Aplicación de la valencia estequiométrica

Conociendo las valencias estequiométricas de los elementos que componen un compuesto químico, es posible trazar su fórmula bruta . En el caso más simple de un compuesto binario , se utiliza para ello la regla, según la cual la valencia total de todos los átomos de un elemento debe ser igual a la valencia total de todos los átomos de otro elemento [7] .

El algoritmo para compilar la fórmula de un compuesto químico binario (usando el ejemplo del óxido de fósforo pentavalente):

 Acción   Resultado 
 Escribir símbolos de elementos   correos
 Especificar las valencias de los elementos  P(5) O(2)
 Encuentra el mínimo común múltiplo de valencias (MCM)   5 * 2 = 10
 Encuentre el número de átomos de los elementos dividiendo el LCM por la valencia de los elementos  P: 10/5 = 2; O: 10 / 2 = 5 
 Escribe la formula compuesta  P2O5 _ _ _

Reglas para escribir fórmulas químicas de compuestos binarios:

Las fórmulas de compuestos químicos más complejos a veces se pueden dividir formalmente en componentes binarios y las reglas para compilar fórmulas químicas de compuestos binarios se pueden aplicar a estas partes. Por ejemplo, la fórmula del sulfato de potasio K 2 SO 4 se puede escribir como K 2 O•SO 3 , la fórmula del carbonato de sodio Na 2 CO 3 como Na 2 O•CO 2 y la fórmula de la magnetita Fe 3 O 4 ( o ) se puede representar como FeO• Fe2O3 . _ _ _ No todos los compuestos inorgánicos, cuyas fórmulas se pueden construir de acuerdo con los valores de la valencia formal de los elementos químicos incluidos en ellos, existen realmente [9] . Por otro lado, los compuestos simples que contienen 2-3 elementos con fórmulas para las cuales no se observan las reglas de valencia formal son una minoría entre los compuestos inorgánicos.

Mayor desarrollo de ideas sobre valencia

El concepto de valencia formal, que es muy efectivo para compuestos químicos simples, se vuelve de poca utilidad para compuestos más complejos, como las fases intersticiales [10] , compuestos de coordinación como los carbonilos de hierro Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , Fe 3 (CO) 12 , o compuestos en los que átomos idénticos están conectados entre sí para formar homocadenas ( acetiluros , peróxidos , persulfuros y otros compuestos inorgánicos, así como casi todos los compuestos orgánicos con dos o más átomos de carbono [11] ) . Para compuestos con homocadenas, el concepto de valencia estructural [12] utilizado en la teoría clásica de la estructura química por A. M. Butlerov resultó ser fructífero .

Los intentos de dar a los conceptos de valencia formal y estructural un significado significativo llevaron a la aparición de los conceptos covalencia , spin-valencia , heterovalencia , valencia electroquímica ( electrovalencia , la carga formal del átomo central (agente complejante) en un ion complejo, que incluye uno complejo; así como la carga efectiva del núcleo atómico ), valencia iónica ( número de oxidación, estado de oxidación ), número de carga, número de coordinación (ver el artículo " Valencia " y Oxidación # Condicionalidad ). En la química moderna, las ideas sobre la valencia a menudo se identifican con la doctrina general del enlace químico [13] .

Notas

  1. ↑ Una homocadena es una secuencia de átomos del mismo elemento químico conectados entre sí. Así, las moléculas S 8 de azufre ortorrómbico y monoclínico son homocadenas de azufre cerradas en un ciclo. Todos los compuestos orgánicos con enlaces carbono-carbono son homocadenas.
  2. ↑ Nenitescu K., Química general, 1968 , p. 51.
  3. ↑ Mychko D.I., El concepto de "valencia", 2009 , p. 6.
  4. ↑ Remy G., Curso de química inorgánica, volumen 1, 1963 , p. 29
  5. ↑ Mychko D.I., El concepto de "valencia", 2009 , p. 9.
  6. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentos de química general, volumen 1, 1973 , p. 26
  7. ↑ 1 2 Savelyev G.G., Smolova L.M., Química general, 2006 , p. 19
  8. ↑ Nenitescu K., Química general, 1968 .
  9. ↑ Nekrasov B.V., Fundamentos de química general, volumen 1, 1973 , p. 29
  10. ↑ La cementita Fe 3 C es un ejemplo .
  11. ↑ Las cadenas homo están ausentes, por ejemplo, en compuestos orgánicos como el éter dimetílico CH 3 —O—CH 3 y el éster metílico del ácido fórmico HCO—O—CH 3 .
  12. ↑ Savelyev G.G., Smolova L.M., Química general, 2006 , p. 22
  13. ↑ Enciclopedia química, volumen 1, 1988 , p. 345.

Literatura