Wertigkeit der chemischen Elemente

Definition des Begriffs der Wertigkeit

Die Wertigkeit ist definiert als die Anzahl der Bindungen, die ein Atom eines bestimmten chemischen Elements durch Bindung mit anderen Atomen eingehen kann.

Was sollten wir noch über die Wertigkeit der chemischen Elemente wissen?

• die Wertigkeit der Elemente wird mit römischen Ziffern angegeben;
• bei chemischen Elementen, die sich durch die Bildung kovalenter Bindungen zu chemischen Verbindungen zusammenschließen, kann die Wertigkeit anhand der Strukturformel bestimmt werden (die Anzahl der von einem Atom eines Elements in einer chemischen Verbindung gebildeten Bindungen ist seine Wertigkeit);
• die Wertigkeit der Elemente im freien Zustand ist immer Null;
• bei Ionen ist die Wertigkeit eines Elements numerisch gleich der Ladung des Ions (ohne Berücksichtigung der positiven und negativen Vorzeichen).

Die Wertigkeit eines chemischen Elements und sein Oxidationsgrad

Häufig werden die Begriffe der Wertigkeit und des Oxidationsgrads eines Elements synonym verwendet.  Ist dies richtig?  Leider ist dies der falsche Ansatz für diese Begriffe.  Der Hauptgrund für die Verwechslung ist ihre grafische Darstellung – in beiden Fällen werden römische Ziffern verwendet.

Der Oxidationsgrad eines Elements, das Bestandteil eines bestimmten Stoffes ist, ist die Anzahl der positiven oder negativen Ladungen, die den Atomen dieses Elements zugeordnet werden könnten, wenn die Moleküle dieses Stoffes eine ionische Struktur hätten, d.h. in Ionen dissoziieren könnten.  Wichtig ist, dass der Oxidationsgrad ein fiktiver Begriff ist, da er per Definition nur das Vorhandensein von Ionenbindungen voraussetzt, was nicht immer der Fall ist.

Während also der Oxidationsgrad die Ladung eines hypothetischen Ions bestimmt, das bei der Zersetzung einer chemischen Verbindung entsteht, gibt die Wertigkeit an, wie viele Bindungen ein Element eingehen kann.  Außerdem kann der Oxidationsgrad positive oder negative Werte annehmen, im Gegensatz zur Wertigkeit, die immer positiv ist.

Hat jedes Element nur eine Wertigkeit?

Chemische Elemente interagieren nicht auf dieselbe Weise miteinander.  Folglich weisen sie eine wechselbare Wertigkeit auf, je nachdem, mit welchem Element sie eine Bindung eingehen.  Die Wertigkeit eines Elements in einer Verbindung sollte immer dann angegeben werden, wenn es mehr als einen Wert annimmt.

Viele chemische Elemente zeichnen sich durch eine wechselbare Wertigkeit aus.  Welche chemische Verbindung ein Element bildet, welche anderen Bestandteile es hat, das bestimmt seine Wertigkeit.

Ein solches Element ist zum Beispiel Stickstoff. Seine höchste Wertigkeit kann V betragen. Sie kann auch niedrigere Werte annehmen.  In Salpetersäure (V) zum Beispiel beträgt die Wertigkeit von Stickstoff V, und in Salpetersäure (III) hat Stickstoff bereits eine niedrigere Wertigkeit von III.

Solche Beispiele könnten weiter aufgezählt werden.  Das Periodensystem der Elemente bietet eine gewisse Hilfe bei der Bestimmung der Wertigkeit eines chemischen Elements.  Zum Beispiel haben die Elemente der Gruppe I die Wertigkeit I, die zweite Gruppe hat entsprechend die Wertigkeit II. Chlor und andere Metalle der Gruppe 17, die in der Formel zuletzt geschrieben werden (z.B. …Cl), haben die Wertigkeit I. Aus dem Periodensystem lässt sich auch die höchste Wertigkeit der Hauptgruppenelemente in Verbindungen mit Sauerstoff und Wasserstoff ermitteln.

Bestimmung von Formeln chemischer Verbindungen mit Hilfe ihrer Wertigkeit

In der Natur gehen die chemischen Elemente mehr oder weniger gerne Wechselwirkungen miteinander ein und bilden chemische Verbindungen.  Unter Verwendung der international anerkannten chemischen Buchstabensymbole und der Wertigkeit der einzelnen Elemente werden chemische Verbindungen in Formeln geschrieben.  Es wird unterschieden zwischen Struktur-, Halbstruktur- und Summenformeln.

Strukturformel

Mit dieser Formel können wir die Struktur des Moleküls einer bestimmten chemischen Verbindung darstellen.  Sie berücksichtigt die Art und Anzahl der Atome sowie alle zwischen ihnen auftretende Bindungen.

Halbstrukturformel

In dieser Formel wird eine Art Gruppierung der Elemente geschaffen – der Kohlenstoff mit Wasserstoff wird getrennt gruppiert und die funktionellen Gruppen werden getrennt gruppiert.  Die halbstrukturellen Formeln in ihrer Notation zeigen die Bindungen zwischen aufeinanderfolgenden Kohlenstoffatomen und funktionellen Gruppen.

Summenformel

Die gebräuchlichste Formel zur symbolischen Beschreibung einer chemischen Verbindung, z.B. für Natriumchlorid, das gewöhnliche Kochsalz, ist NaCl.  Sie berücksichtigt die Art und Anzahl der Atome.

Wenn man also einige grundlegende Regeln über die Wertigkeit chemischer Elemente kennt, kann man leicht die Summenformel und die Strukturformel eines Moleküls schreiben, das aus zwei chemischen Elementen besteht:

• der erste Schritt besteht darin, die chemischen Symbole der Elemente, aus denen die Verbindung besteht, nebeneinander zu schreiben;
• dann in der oberen rechten Ecke ihre Wertigkeiten in römischen Ziffern notieren, die wir dann unter die Elemente darunter schreiben (kreuzweise!);
• die geschriebenen Wertigkeiten bilden das Massenverhältnis der Elemente in der chemischen Verbindung. Ist dies nicht das kleinste Verhältnis, so sind die Ziffern durch einen gemeinsamen Teiler zu dividieren;
• die Ziffern werden dann (in arabischen Ziffern) in der rechten unteren Ecke der chemischen Symbole der Elemente geschrieben (die Eins wird nicht geschrieben).

Die Strukturformel einer chemischen Verbindung wird auf ähnliche Weise gebildet:

• man sollte die Buchstabensymbole der Elemente, aus denen die Verbindung besteht, aufschreiben (so viele Atome des betreffenden Elements, wie zuvor aus der Summenformel ermittelt wurden);
• neben jedem Symbol so viele Punkte aufschreiben, wie seine Wertigkeit beträgt;
• die Punkte zwischen den Atomen werden miteinander verbunden (es sollten keine freien Punkte übrig bleiben) – jede Verbindung symbolisiert eine chemische Bindung.

Die Wertigkeit der chemischen Elemente „nach Augenmaß“

Ist es möglich, die Wertigkeit eines chemischen Elements in einer chemischen Verbindung „nach Augenmaß“ zu bestimmen? Wie sich herausstellt, ja, obwohl diese Methode mit Vorsicht zu genießen ist.

Für viele von uns ist die Welt der Chemie zu Recht mit Kolben verbunden, die Lösungen in verschiedenen intensiven Farben enthalten.  Solche Lösungen können vor allem aus den Metallen des Blocks d des Periodensystems der Elemente gewonnen werden.  Die meisten von ihnen haben eine intensive Farbe, aus der man mit einiger Wahrscheinlichkeit auf die Wertigkeit eines Elements schließen kann.  Um dies anhand eines Beispiels zu verdeutlichen:

• Eisen(II)-Salze nehmen in Lösung eine blassgrüne Farbe an, während Eisen(III)-Salze gelb sind,
• Kobalt(II)-Salze sind rosa und Kobalt(III)-Salze sind blau gefärbt,
• Chrom(II)-Salze in Lösungen sind blau und Chrom(III)-Salze dagegen haben eine violette Farbe.