Из истории валентности
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Вплоть до середины XIX века представление о химической связи атомов в молекуле, по существу, отсутствовало, да и само атомно-молекулярное учение считалось в то время лишь гипотезой, которую многие химики подвергали сомнению. Тем не менее, уже тогда существовали химические формулы и уравнения, как-то отражавшие те или иные превращения веществ. Что же это были за формулы и как их составляли, если даже атомы и молекулы считались чем-то потусторонним, недоступным для непосредственного изучения?
Основой для составления формулы вещества был его элементарный состав. Издавна 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, и весовое количество другого элемента, способного соединяться с паем водорода в воде, стали выражать в этих единицах. Раз 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 то же самое, с одним паем кислорода, равным 8, называли пайным (или эквивалентным) весом этого элемента. Закон простых кратных отношений был своего рода «квантовой теорией» химии позапрошлого века; из него следовало, что элементы соединяются друг с другом как бы 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 столетней давности 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.).
Нельзя считать эти формулы абсурдными: какую-то часть истины 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) равнялись половине их атомных весов, принятых сегодня. Однако в то время истинные атомные веса определять не умели. Впрочем, все чаще эквиваленты стали называть «атомами», подразумевая под этим некоторое минимальное количество элемента, вступающее в химическое соединение. Как мы видели, в случае углерода, кислорода, азота и серы эти «атомы» были равны половинкам истинных.
Основой для дальнейшего движения вперед послужило развитие представлений о химической частице (молекуле) и окончательное принятие большинством химиков атомно-молекулярного учения. В связи с этим в повестку дня стал важнейшей для химии вопрос: сколько атомов того или иного сорта способен присоединять к себе данный атом и является ли это число достаточно постоянным, характерным для рассматриваемого элемента?
Ответить на этот вопрос было бы не так уж трудно, если бы различные элементы всегда соединялись друг с другом в каких-то строго постоянных отношениях. Однако сплошь и рядом столь завидная простота не обнаруживалась. 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. п. В бесчисленных соединениях углерода вообще с трудом угадывался закон кратных отношений: он соединялся с другими элементами в самых причудливых и далеко не всегда простых отношениях.
Но вот в 1849 году двадцатитрехлетний английский химик Эдуард Франкланд открывает новый класс органических соединений, в которых атомы металла связаны с простейшими остатками органических молекул — радикалами (метилом, этилом и т. п.). Сначала были получены органические соединения цинка, затем — соединения ртути, бора, олова, свинца. Новые соединения обладали многими удивительными свойствами и привлекли к себе общее внимание, число их быстро росло. Уже в 1853 году Франкланд подметил одно любопытное явление. Оказалось, 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 соединялись только с двумя метальными радикалами, бор — с тремя, олово и свинец — с четырьмя. Впервые возникла мысль, что именно эти числа характеризуют способность элементов к соединению друг с другом. Сопоставляя свои наблюдения с материалом, накопленным неорганической химией, Франкланд впервые выдвинул утверждение, что каждому элементу присуще лишь определенное количество единиц сродства, при помощи которых атомы соединяются в молекулу.
Победа научной атомистики и установление точных атомных весов углерода и кислорода, выполненное Станислао Канниццаро в 1858 году, вскоре позволили придать первоначальной мысли Франкланда более совершенную формулировку. Например, такую: «Валентность — это свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. За единицу измерения валентности принята валентность водорода».
Это определение взято из учебника химии, ныне принятого «на вооружение» в средних школах. С той поры, как выраженная в этих словах мысль стала очевидной, прошло более сто лет. За эти более сто лет в химии произошло больше изменений, чем за предыдущие лет пятьсот. Существенно обновилось и то содержание, которое раньше вкладывалось в представление о валентности. Стало очевидным, что валентность тесно связана с электронным строением атомов. Казалось 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, на которые он может принять чужие электроны. Может создаться впечатление, что с этими дополнениями старое определение остается все же удовлетворительным, достаточно полно отражающим современное содержание учения о валентности.
Автор: О. Охлобыстин.