З історії валентності
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Аж до середини XIX століття уявлення про хімічний зв’язок атомів в молекулі, по суті, було відсутнє, та й саме атомно-молекулярне вчення вважалося в той час лише гіпотезою, яку багато хіміків брали під сумнів. Проте, вже тоді існували хімічні формули і рівняння, що якось відображали ті чи інші перетворення речовин. Що ж це були за формули і як їх складали, якщо навіть атоми і молекули вважалися чимось потойбічним, недоступним для безпосереднього вивчення?
Основою для складання формули речовини був її елементарний склад. З давніх-давен відомо, наприклад, що вода складається з водню і кисню, причому їх вагове відношення в воді – 1:8. У всіх з’єднаннях, де виявлявся водень, на його частку завжди припадав найменший ваговий пай. Ваговий вміст інших елементів завжди був більшим. Якщо замість водню в речовину вводився інший елемент, то пайна вага цього елемента також опинялася значно більшою, ніж вага заміщуваного нею водню. Пайна вага водню у воді була прийнята за одиницю, і вагова кількість іншого елемента, здатного з’єднуватися з паєм водню у воді, стали висловлювати в цих одиницях. Раз у воді кисню у вісім разів більше, ніж водню, значить, пайна вага кисню дорівнює 8.
Кількість будь-якого іншого елемента, що з’єднується з ваговим паєм водню в воді або, що те ж саме, з одним паєм кисню, рівним 8, називали пайною (або еквівалентною) вагою цього елемента. Закон простих кратних відносин був свого роду «квантовою теорією» хімії позаминулого століття; з неї випливало, що елементи з’єднуються один з одним як би певними порціями, що і призводить до їх цілочисельним ваговим відносинам. Еквівалентні ваги і були цими «квантами» (порціями), що вступають в хімічну сполуку.
Кожен елементарний пай позначався символом відповідного елемента – Н, О, і т. п. У воді, за умовою, на один пай водню припадав один пай кисню. Звідси столітньої давності формула води – НО. Довгий час для вуглецю приймалася пайна вага 6, і формула метану писалася у вигляді С2Н4. Сто з гаком років тому хімічні формули багатьох речовин мали настільки ж дивний і незвичний для нас вид (Н5 – сірководень, КО + НО – їдкий калій, тощо).
Не можна вважати ці формули абсурдними: якусь частину істини вони все ж відображали (елементарний склад речовини, вагове співвідношення елементів, що входять до нього). Сучасному читачеві легко помітити, що пайна вага вуглецю (6), кисню (8), азоту (7), сірки (16) дорівнювали половині їх атомних ваг, прийнятих сьогодні. Однак в той час справжні атомні ваги визначати не вміли. Втім, все частіше еквіваленти стали називати «атомами», маючи на увазі під цим деякий мінімум елемента, який набирає хімічна сполука. Як ми бачили, в разі вуглецю, кисню, азоту та сірки ці «атоми» були рівні половинкам справжніх.
Основою для подальшого руху вперед послужив розвиток уявлень про хімічну частку (молекулу) і остаточне прийняття більшістю хіміків атомно-молекулярного вчення. У зв’язку з цим до порядку денного стало найважливіше для хімії питання: скільки атомів того чи іншого сорту здатний приєднувати до себе даний атом і чи є це число досить постійним, характерним для даного елемента?
Відповісти на це питання було б не так вже й важко, якби різні елементи завжди з’єднувалися один з одним в якихось строго постійних стосунках. Однак часто-густо настільки завидна простота не виявляється. Багато металів утворюють по два, а то і по три різних з’єднання з киснем, а азот дає їх цілих п’ять. Цю ж властивість багато елементів виявляють і в з’єднаннях з хлором, сіркою, воднем і т. п. У незліченних з’єднаннях вуглецю взагалі насилу вгадувався закон кратних відносин: він поєднувався з іншими елементами в найхимерніших і далеко не завжди простих відносинах.
Але ось у 1849 році двадцятитрьохлітній англійський хімік Едуард Франкланд відкриває новий клас органічних сполук, в яких атоми металу пов’язані з найпростішими залишками органічних молекул – радикалами (метилом, етиленом, тощо). Спочатку були отримані органічні сполуки цинку, потім – сполуки ртуті, бору, олова, свинцю. Нові сполуки володіли багатьма дивними властивостями і привернули до себе загальну увагу, число їх швидко зростало. Вже в 1853 році Франкланд помітив одне цікаве явище. Виявилося, що кожен метал, для якого були відомі сполуки з органічними радикалами, утворює тільки одне з’єднання цього типу. У летючих, тобто здатних до перегонки, металоорганічних сполуках, цинк і ртуть завжди з’єднувалися тільки з двома метальними радикалами, бор – з трьома, олово і свинець – з чотирма. Вперше виникла думка, що саме ці числа характеризують здатність елементів до з’єднання один з одним. Зіставляючи свої спостереження з матеріалом, накопиченим неорганічною хімією, Франкланд вперше висунув твердження, що кожному елементу притаманна лише певна кількість одиниць спорідненості, за допомогою яких атоми з’єднуються в молекулу.
Перемога наукової атомістики і встановлення точних атомних ваг вуглецю і кисню, виконане Станіслао Канніццаро в 1858 році, незабаром дозволили надати первісній думці Франкланда більш досконале формулювання. Наприклад, таке: «Валентність – це властивість атомів одного елемента приєднувати певне число атомів інших елементів. За одиницю виміру валентності прийнята валентність водню».
Це визначення взято з підручника хімії, нині прийнятого «на озброєння» в середніх школах. З тієї пори, відколи виражена в цих словах думка стала очевидною, пройшло понад сто років. За ці понад сто років хімія зазнала більше змін, ніж за попередні років п’ятсот. Істотно оновився і той зміст, який раніше вкладався в уявлення про валентність. Стало очевидним, що валентність тісно пов’язана з електронною будовою атомів. Здавалося логічним, що максимально можлива валентність атома дорівнює або числу його зовнішніх (валентних) електронів, які він в принципі може віддати, або числу вільних місць в його електронній оболонці, на які він може прийняти чужі електрони. Може скластися враження, що з цими доповненнями старе визначення залишається все ж задовільним, воно досить повно відображає сучасний зміст вчення про валентності.
Автор: О. Охлобистін.