Wartościowość

Umiesz już rozpoznawać wzory i nazwy związków chemicznych. Czasem związek ma bardziej skomplikowaną budowę i jest opisywany nazwami zwyczajowymi. Jednak większość związków, z którymi spotkasz się na lekcjach chemii w gimnazjum i liceum to proste związki organiczne i nieorganiczne.

Aby ustalić wzór związków należących do grupy tlenków, wodorotlenków, kwasów i soli często posługujemy się pojęciem wartościowości oraz elektrowartościowości nazywanej zwykle stopniem utlenienia.

Słownik definiuje wartościowość jak następuje:

Wartościowość - liczba wiązań chemicznych, jakie może utworzyć dany atom lub jon z innymi atomami lub jonami.

Myślę, że definicja jest ścisła i przejrzysta, aczkolwiek jak później się przekonasz pojęcie wartościowości ustępuje zwykle stopniom utlenienia.

Pierwiastki grup głównych mają raczej stałe wartościowości:

Grupa Wartościowość
(1) Litowce I
(2) Berylowce II
(13) Borowce III
(14) Węglowce IV
(15) Azotowce III
(16) Tlenowce II
(17) Fluorowce I
(18) Gazy szlachetne 0

Wartościowości pierwiastków grup reprezentatywnych (głównych 1, 2, 13-18) bez uwzględnienia możliwości koordynacyjnego wiązania się tych atomów i nadbudowywania powłok d

Natomiast pierwiastki grup pobocznych (metale przejściowe) nadają się do charakterystyki jedynie stopniami utlenienia. Dla pewności przeanalizujemy kilka przykładów.

Tlenek żelaza(II). Żelazo ma mieć zgodnie z zaznaczoną w nazwie wartościowością dwa wiązania. Skoro tlen ma zawsze wartościowość równą II można sugerować wzór: FeO z wiązaniem podwójnym. Pamiętajmy jednak, że są to wiązania jonowe.

Tlenek żelaza(III). Tlen ma mieć dwa wiązania, a żelazo trzy. Jedyny sposób to użyć trzech atomów tlenu i dwóch atomów żelaza: Fe2O3. Ryc. 1 przedstawia dlaczego.

Ryc. 1 © chemmix

W praktyce ilości atomów wyznaczamy tzw. metodą na krzyż. Oto jak się to robi dla tlenku azotu(I):

  1. Zapisujemy atomy (zgodnie z zasadami): N O
  2. Dopisujemy wartościowości: NI OII
  3. Przepisujemy wartościowości po skosie: NI2 OII1
  4. Upraszczamy wzór: N2O

Tą samą drogą wyprowadźmy wzór azotku miedzi(II). Przyda się przypomnienie, że azot może wytworzyć tylko trzy wiązania kowalencyjne bądź jonowe, bo posiada trzy niesparowane elektrony i jedną parę elektronową, która może tworzyć wiązania koordynacyjne. W prostych połączeniach metal-niemetal spotykamy wiązanie jonowe, nie koordynacyjne (duża wartość Δχ) i stąd trójwiązalność azotu w tym związku.

  1. Cu N
  2. CuII NIII
  3. CuII3 NIII2
  4. Cu3N2

Ponownie w punktach poszukajmy wzoru siarczku cyny(IV):

  1. Sn S
  2. SnIV SII
  3. SnIV2 SII4
  4. SnS2

W ostatnim punkcie mogliśmy podzielić indeksy przez 2. Zawsze jeśli indeksy można podzielić przez jakąś liczbę upraszczając zapis należy to zrobić - analogicznie dla fosforku glinu*:

  1. Al P
  2. AlIII PIII
  3. AlIII3 PIII3
  4. AlP

*) Jeśli pierwiastek ma tylko jedną wartościowość, lub jeśli nazwa wskazuje na jedyny istniejący związek wartościowości pomija się.

Już nie długo poznasz dokładniej kwasy. Wśród nich kwas siarkowy(VI) - liczba w nawiasie jest stopniem utlenienia, który w tym przypadku pokrywa się z wartościowością atomu centralnego, którym jest siarka. Ryc. 2. przedstawia wzór kwasu siarkowego(VI) z sześcioma wiązaniami przy atomie siarki. Siarka nie spełnia reguły oktetu, ale może sobie na to pozwolić, ponieważ jest ona pierwiastkiem 3 okresu i posiada orbitale d, które mogą przyjmować dodatkowe elektrony. O tym co to są orbitale dowiesz się z tomu Chemia kwantowa.

Ryc. 2 © chemmix

Również całe grupy atomów mogą mieć swoją wartościowość. Np. anion hydroksylowy (OH) jest jednowartościowy, a anion siarczanowy(VI) (SO42−) jest dwuwartościowy (porównaj z ładunkami jonów). Mając taką wiedzę można ustalać wzory bardziej złożonych soli (o tym będzie dokładniej przy solach). Siarczan(VI) sodu:

  1. Na (SO4)
  2. NaI (SO4)II
  3. NaI2 (SO4)II1
  4. Na2SO4

Elektrowartościowość w przeciwieństwie do wartościowości bazuje nie na wiązaniach kowalencyjnych, a quasi-jonowych, czyli niekoniecznie istniejących wiązaniach jonowych. O stopniach utlenienia będziemy mówili dokładniej przy omawianiu reakcji redoks oraz w materiale dodatkowym: Stopnie utlenienia.

"