Wartościowość pierwiastków chemicznych

Definicja pojęcia wartościowości

Wartościowość jest określana jako ilość wiązań, które może utworzyć atom danego pierwiastka chemicznego, łącząc się z innymi atomami.

Co jeszcze powinniśmy wiedzieć o wartościowości pierwiastków chemicznych?

• wartościowość pierwiastków podaje się z wykorzystaniem cyfr rzymskich;
• w przypadku pierwiastków chemicznych, które łączą się w związki chemiczne poprzez utworzenie wiązań kowalencyjnych, możliwe jest określenie wartościowości na podstawie wzoru strukturalnego (ile wiązań tworzy dany atom pierwiastka w związku chemicznym, tyle wynosi jego wartościowość);
• wartościowość pierwiastków w stanie wolnym zawsze wynosi zero;
• w przypadku jonów, wartościowość pierwiastka jest równa liczbowo ładunkowi tego jonu (z pominięciem znaków dodatnich i ujemnych).

Wartościowość pierwiastka chemicznego, a jego stopień utlenienia

Często pojęcia wartościowość oraz stopień utlenienia pierwiastka używane są zamiennie. Czy słusznie? Niestety jest to błędne podejście do tych pojęć. Główną przyczyną ich mylenia ze sobą jest graficzne przedstawienie – w obu przypadkach używane są cyfry rzymskie.

Stopniem utlenienia pierwiastka, który wchodzi w skład określonej substancji, nazywamy liczbę dodatnich lub ujemnych ładunków, jakie można przypisać atomom tego pierwiastka, gdyby cząsteczki tej substancji miały budowę jonową, czyli byłyby zdolne do rozpadania się na jony. Co ważne, stopień utlenienia jest pojęciem umownym, ponieważ zgodnie z definicją zakłada on obecność tylko wiązań jonowych, a nie zawsze mamy z taką sytuacją do czynienia.

Zatem podczas, gdy stopień utlenienia określa ładunek hipotetycznego jonu, powstałego na skutek rozpadu związku chemicznego, to wartościowość formułuje ile wiązań może tworzyć dany pierwiastek. Ponadto stopień utlenienia przyjmuje wartości dodatnie lub ujemne, w przeciwieństwie do wartościowości, która jest zawsze dodatnia.

Czy każdy pierwiastek ma tylko jedną wartościowość?

Pierwiastki chemiczne nie oddziaływują ze sobą w ten sam sposób. W związku z tym wykazują zmienną wartościowość w zależności od tego z jakim elementem tworzą wiązanie. Każdorazowo należy podawać wartościowość pierwiastka w danym związku, jeżeli przyjmuje on więcej niż jedną wartość.

Wiele pierwiastków chemicznych charakteryzuje się zmienną wartościowością. To, jaki związek chemiczny dany pierwiastek tworzy, jakie są pozostałe komponenty, determinuje jego wartościowość.

Przykładowo jednym z takich pierwiastków jest azot. Jego wartościowość maksymalnie może wynieść V. Może przyjmować także niższe wartości. Na przykład w kwasie azotowym (V) wartościowość azotu wynosi V, a w kwasie azotowym (III)  azot ma już niższą wartościowość wynoszącą III.

Takich przykładów można podać więcej. Pewną pomoc w określeniu wartościowości pierwiastka chemicznego stanowi układ okresowy pierwiastków. Na przykład pierwiastki I grupy mają wartościowość równą I, analogicznie drugiej grupy – II. Chlor oraz inne metale grupy 17, które we wzorze zapisane są na końcu (np. …Cl) mają wartościowość równą I. Również możliwe jest określenie na podstawie układu okresowego maksymalnej wartościowości pierwiastków grup głównych w związkach chemicznych z tlenem i wodorem.

Wyznaczanie wzorów związków chemicznych z wykorzystaniem ich wartościowości

W przyrodzie, pierwiastki chemiczne bardziej lub mniej chętnie oddziaływują ze sobą tworząc związki chemiczne. Wykorzystując ogólnie uznane na całym świecie literowe symbole chemiczne oraz wartościowość poszczególnych pierwiastków, związki chemiczne zapisywane są za pomocą wzorów. Wyróżnia się wzory strukturalne, półstrukturalne i sumaryczne.

Wzór strukturalny

Za pomocą tego wzoru możemy pokazać budowę cząsteczki określonego związku chemicznego. Uwzględnia on rodzaj i ilość atomów, a także wszystkie występujące pomiędzy nimi wiązania.

Wzór półstrukturalny

We wzorze tym tworzy się swego rodzaju grupowanie pierwiastków – osobno grupuje się węgiel z wodorami, a osobno grupy funkcyjne. Wzory półstrukturalne w swoim zapisie pokazują wiązania występujące pomiędzy kolejnymi atomami węgla i grupami funkcyjnymi.

Wzór sumaryczny

Najczęściej podawany wzór do opisu symbolicznego związku chemicznego, np. dla chlorku sodu, czyli popularnej soli kuchennej jest to NaCl. Uwzględnia on rodzaj i liczbę atomów.

Zatem znając kilka podstawowych zasad dotyczących wartościowości pierwiastków chemicznych, można łatwo napisać wzór sumaryczny oraz strukturalny cząsteczki złożonej z dwóch pierwiastków chemicznych:

• pierwszym krokiem jest zapisanie obok siebie symboli chemicznych pierwiastków tworzących związek;
• następnie w prawym górnym roku, cyframi rzymskimi należy zapisać ich wartościowości, które następnie zapisujemy pod pierwiastkami poniżej (na krzyż!);
• zapisane wartościowości tworzą stosunek masowy pierwiastków w związku chemicznym. Jeśli nie jest to najmniejszy stosunek, to cyfry te należy podzielić przez wspólny dzielnik;
• następnie cyfry zapisuje się (cyframi arabskimi) w prawym, dolnym rogu symboli chemicznych pierwiastków (jedynki się nie zapisuje).

Wzór strukturalny związku chemicznego tworzy się w podobny sposób:

• należy zapisać symbole literowe pierwiastków tworzących związek (tyle atomów danego pierwiastka ile zostało wyznaczonych wcześniej ze wzoru sumarycznego);
• obok każdego symbolu zapisuje się tyle kropek, ile wynosi jego wartościowość;
• kropki pomiędzy atomami łączy się ze sobą (nie może pozostać żadna wolna kropka) – każde połączenie symbolizuje wiązanie chemiczne.

Wartościowość pierwiastków chemicznych „na oko”

Czy jest możliwe określenie wartościowości pierwiastka chemicznego w danym związku chemicznym „na oko”? Okazuje się, że tak, chociaż należy pamiętać, żeby podchodzić do tej metody z dystansem.

Wielu z nas, świat chemii słusznie kojarzy się z kolbami zawierającymi roztwory o różnorodnych, intensywnych barwach. Roztwory takie można uzyskać, głównie dzięki metalom znajdującym się w bloku d układu okresowego pierwiastków. Większość z nich posiada intensywne zabarwienie, po którym z pewnym prawdopodobieństwem można wnioskować o wartościowości pierwiastka. Obrazując to na przykładzie:

• sole żelaza (II) w roztworach przyjmują barwę bladozieloną, natomiast sole żelaza (III) są żółte,
• sole kobaltu (II) są różowe, a sole kobaltu (III) tworzą niebieskie zabarwienie,
• sole chromu (II) w roztworach są niebieskie, a sole chromu (III) to barwa fioletowa.