רמת הידע אודות מבנה האטומים והמולקולות ב- XIXהמאה לא איפשרה להסביר את הסיבה שבגללה האטומים יוצרים מספר מסוים של קשרים עם חלקיקים אחרים. אבל רעיונותיהם של מדענים מקדימים את זמנם, וערכיות עדיין נחקרת כאחד העקרונות הבסיסיים של הכימיה.
הכימאי האנגלי אדוארד המצטיין מהמאה ה -19פרנקלנד הציג את המונח "חיבור" בשימוש מדעי כדי לתאר את תהליך האינטראקציה של האטומים זה עם זה. המדען ציין כי כמה יסודות כימיים יוצרים תרכובות עם אותו מספר אטומים אחרים. לדוגמה, חנקן מחבר שלושה אטומי מימן במולקולת אמוניה.
במאי 1852 העלה פרנקלנד את ההשערה אודותשיש מספר ספציפי של קשרים כימיים שאטום יכול ליצור עם חלקיקי חומר אחרים. פרנקלנד השתמש בביטוי "כוח מקשר" כדי לתאר את מה שלימים נקרא ערכיות. הכימאי הבריטי קבע כמה קשרים כימיים יוצרים אטומי היסודות הבודדים, הידועים באמצע המאה ה -19. עבודתו של פרנקלנד הפכה לתרומה חשובה לכימיה המבנית המודרנית.
כימאי גרמני F.A.Kekulé הוכיח בשנת 1857 כי פחמן הוא tetrabasic. בתרכובת הפשוטה ביותר שלה, מתאן, נוצרים קשרים עם 4 אטומי מימן. המדען השתמש במונח "בסיסיות" לציון תכונות היסודות כדי לצרף כמות מוגדרת בהחלט של חלקיקים אחרים. ברוסיה, שיטות הנתונים על מבנה החומר שודרו על ידי A.M. Butlerov (1861). תיאוריית הקשר הכימי פותחה עוד יותר הודות לתורת השינויים התקופתיים בתכונות היסודות. מחברו הוא כימאי רוסי מצטיין נוסף, די.די. מנדלייב. הוא הוכיח כי ערכיותם של יסודות כימיים בתרכובות ותכונות אחרות נובעת מהמיקום שהם תופסים בטבלה המחזורית.
היכולת לדמיין מולקולות היא דבר אחדמהיתרונות הבלתי מעורערים של תורת הערכיות. הדגמים הראשונים הופיעו בשנות ה -60 של המאה ה -20, ומאז 1864 נעשה שימוש בנוסחאות מבניות, שהן מעגלים עם סימן כימי בפנים. מקף בין סמלי האטומים מציין קשר כימי, ומספר השורות הללו שווה לערך הערכיות. באותן שנים יוצרו דגמי הכדור-מקל הראשונים (ראו תמונה משמאל). בשנת 1866 הציע Kekulé רישום סטריוכימי של אטום פחמן בצורת טטרהדרון, אותו כלל בספר הלימוד שלו "כימיה אורגנית".
ערכיות של יסודות כימיים והתרחשותקשרים נחקרו על ידי ג 'לואיס, שפרסם את עבודותיו בשנת 1923 לאחר גילוי האלקטרון. זהו שמם של החלקיקים הטעונים ביותר שלילית שהם חלק מקליפות האטומים. בספרו השתמש לואיס בנקודות סביב ארבעת הצדדים של סמל כימי כדי לייצג אלקטרונים ערכיים.
לפני יצירת המערכת התקופתית, הערכיותנהוג היה להשוות אלמנטים כימיים בתרכובות לאותם אטומים שהם ידועים להם. מימן וחמצן נבחרו כסטנדרטים. יסוד כימי אחר משך או החליף מספר מסוים של אטומי H ו- O.
בדרך זו נקבעו התכונות בתרכובות עם מימן חד-פעמי (הערך של היסוד השני מסומן בספרה רומאית):
בתחמוצות K2O, CO, N2אודות3, SiO2, כך3 ערך החמצן של מתכות ולא מתכות נקבע על ידי הכפלת מספר האטומים O שנוספו. הערכים הבאים התקבלו: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S ( VI).
יש קביעות ביצירת קשר כימי בהשתתפות זוגות אלקטרונים נפוצים:
קביעת ערכיותם של יסודות כימיים באמצעות נוסחת התרכובת מתבצעת באמצעות האלגוריתם הבא:
ערכי הערכיות למימן וחמצן שונים. לדוגמא, גופרית בתרכובת H2S הוא דו-ערכי, ובנוסחה SO3 - משושה. פחמן יוצר CO חד-חמצני ו- CO דו-חמצני עם חמצן2... במתחם הראשון, הערך של C הוא II, ובשני, IV. אותו ערך במתאן CH4.
רוב האלמנטים מראים לא קבועים, אבלערכיות משתנה, למשל, זרחן, חנקן, גופרית. החיפוש אחר הסיבות העיקריות לתופעה זו הוביל להופעת תיאוריות של קשר כימי, מושגים של מעטפת הערכיות של אלקטרונים, אורביטלים מולקולריים. קיומם של ערכים שונים של אותו מאפיין הוסבר מנקודת מבט של מבנה האטומים והמולקולות.
כל האטומים מורכבים מגרעין חיובי,מוקף אלקטרונים טעונים שלילית. המעטפת החיצונית, שהם יוצרים, אינה גמורה. המבנה המושלם הוא היציב ביותר, הוא מכיל 8 אלקטרונים (אוקטטה). הופעתו של קשר כימי עקב זוגות אלקטרונים משותפים מובילה למצב אטומי חיובי מבחינה אנרגטית.
הכלל ליצירת קשרים הואהשלמת הקליפה על ידי קבלת אלקטרונים או החזרת אלקטרונים לא מזווגים, תלוי בתהליך הקל יותר. אם אטום מספק חלקיקים שליליים שאין להם זוג ליצירת קשר כימי, אז הוא יוצר קשרים רבים ככל שיש לו אלקטרונים לא מזווגים. על פי מושגים מודרניים, הערך של אטומים של יסודות כימיים הוא היכולת ליצור מספר מסוים של קשרים קוולנטיים. לדוגמא, במולקולת מימן גופרתי H2גופרית S רוכשת ערכיות II (-), מאזכל אטום לוקח חלק ביצירת שני זוגות אלקטרונים. הסימן "-" מציין את המשיכה של זוג אלקטרונים לאלמנט אלקטרוני שלילי יותר. לקבלת ערך פחות אלקטרוני שלילי, הוסף "+" לערך הערכיות.
באמצעות מנגנון קבלת התורמים, זוגות אלקטרונים של אלמנט אחד ומסלולי חופשיים של אחר מעורבים בתהליך.
הבה נבחן, בעזרת הדוגמא של פחמן וחמצן, כיצד ערכיותם של יסודות כימיים תלויה במבנה החומר. הטבלה המחזורית נותנת מושג על המאפיינים העיקריים של אטום הפחמן:
אם אטום פחמן ב- CO חד חמצני יוצר שנייםחיבור, ואז רק 6 חלקיקים שליליים נכנסים לשימוש בו. כדי לרכוש אוקטטה, על הזוגות ליצור 4 חלקיקים שליליים חיצוניים. לפחמן יש ערך של IV (+) בדו-חמצני ו- IV (-) במתאן.
מספר סידורי חמצן - 8, ערכיותהקליפה מורכבת משישה אלקטרונים, 2 מהם אינם יוצרים זוגות ומשתתפים בקשר כימי ובאינטראקציה עם אטומים אחרים. ערכיות חמצן אופיינית היא II (-).
במקרים רבים זה יותר נוח לשימושהמושג "מצב חמצון". זהו שמו של המטען של אטום, אותו הוא היה רוכש אם כל האלקטרונים המחייבים היו מועברים לאלמנט בעל ערך גבוה יותר של אלקטרונטיביות (EO). המספר המחמצן בחומר פשוט הוא אפס. הסימן "-" מתווסף למצב החמצון של יותר מאלמנט EO, הסימן "+" מתווסף למצב הפחות אלקטרוני שלילי. לדוגמא, עבור מתכות של תת-הקבוצות העיקריות, מצבי חמצון ומטענים יונים שווים למספר הקבוצה עם הסימן "+" אופייניים. ברוב המקרים, הערכיות ומצב החמצון של אטומים באותה תרכובת זהים מבחינה מספרית. רק כאשר מתקיימים אינטראקציה עם אטומים אלקטרוניים יותר, מצב החמצון הוא חיובי, עם יסודות בעלי EO נמוך יותר - שלילי. המושג "ערכיות" מיושם לרוב רק על חומרים בעלי מבנה מולקולרי.
