Номер 8, страница 46 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

§ 8. Валентность. Глава 1. Первоначальные химические понятия - номер 8, страница 46.

8. Подготовьте сообщение «История развития понятия „валентность“».

Понятие валентности является фундаментальным в химии. Оно определяет способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей. История развития этого понятия — это история становления теоретической химии, отражающая смену научных парадигм от простых эмпирических наблюдений до сложных квантово-механических моделей.

Предпосылки возникновения понятия валентности

В начале XIX века основы для учения о валентности были заложены работами Джона Дальтона. Его атомная теория и, в частности, закон кратных отношений, показали, что элементы соединяются друг с другом в определённых, целочисленных весовых соотношениях. Это наводило на мысль, что атомы обладают некой свойственной им «соединительной силой».

Дальнейшим шагом стала дуалистическая теория Йёнса Якоба Берцелиуса, который предполагал, что химическое сродство имеет электрическую природу. Согласно его теории, атомы несут положительные и отрицательные заряды и притягиваются друг к другу. Хотя эта теория была успешна для объяснения строения солей, она не могла объяснить строение многих органических соединений и была в итоге отвергнута. Однако сама идея о связи химического взаимодействия с электрическими силами оказалась пророческой.

Рождение теории валентности (середина XIX века)

Термин «валентность» (от латинского valentia — сила) и само понятие были введены в науку в 1852 году английским химиком Эдуардом Франклендом. Изучая металлоорганические соединения, он заметил, что атомы таких элементов, как азот, фосфор, сурьма, мышьяк, соединяются с определённым числом атомов других элементов (например, тремя или пятью). Он назвал это свойство «соединительной силой» или «атомностью» и пришёл к выводу, что «...каждый элемент имеет определённую насыщающую способность...».

Огромный вклад в развитие теории внесли Август Кекуле и Арчибальд Скотт Купер. В 1857-1858 годах, независимо друг от друга, они установили, что углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен. Более того, они выдвинули революционную идею о том, что атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи. Это открытие стало ключом к пониманию строения бесчисленного множества органических молекул.

Окончательное формирование классической теории валентности связано с именем русского химика Александра Михайловича Бутлерова. В 1861 году он создал теорию химического строения, в основе которой лежали два ключевых положения:
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности.
2. Свойства вещества определяются не только его элементным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле (химическим строением).
Теория Бутлерова позволила предсказывать свойства соединений и целенаправленно их синтезировать, превратив химию из описательной науки в предсказательную.

Валентность и Периодический закон

Создание Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодической системы химических элементов в 1869 году придало учению о валентности строгую системную основу. Оказалось, что валентность является периодически изменяющимся свойством элементов. Менделеев установил, что высшая валентность элемента в соединениях с кислородом, как правило, равна номеру группы, в которой он находится. Например, для элементов 1-й группы (Na, K) она равна I, для 2-й (Mg, Ca) — II, для 7-й (Cl, Br) — VII (в $Cl_2O_7$). Также была замечена закономерность в валентности по водороду.

Электронная природа валентности (начало XX века)

С открытием электрона в конце XIX века стало ясно, что химическая связь и валентность имеют физическую, электронную природу. Прорыв в понимании этого был сделан в 1916 году.

Американский физико-химик Гилберт Ньютон Льюис предположил, что химическая связь между двумя атомами (ковалентная связь) образуется за счёт общей электронной пары. Он также сформулировал правило октета, согласно которому атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную внешнюю оболочку, подобную оболочке инертных газов, путём образования общих электронных пар. Валентность в этой модели стала трактоваться как число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами.

Одновременно и независимо немецкий учёный Вальтер Коссель разработал теорию ионной связи, объясняя её как результат полного перехода электронов от одного атома к другому с образованием заряженных ионов, которые притягиваются электростатически.

Таким образом, было показано, что валентность — это следствие поведения электронов на внешних электронных оболочках атомов.

Квантово-механическое объяснение и современное понимание

Дальнейшее развитие учения о валентности связано с созданием квантовой механики. В 1927 году Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон впервые выполнили квантово-механический расчёт молекулы водорода $H_2$, показав, что образование химической связи приводит к понижению общей энергии системы.

Огромный вклад в современную теорию внёс Лайнус Полинг, который в 1930-х годах разработал метод валентных связей (ВС). Он ввёл такие важные понятия, как гибридизация атомных орбиталей (например, $sp^3$, $sp^2$, $sp$-гибридизация для атома углерода, объясняющая его тетраэдрическую, плоскую или линейную геометрию связей), электроотрицательность и резонанс. Его работа «Природа химической связи» стала настольной книгой для нескольких поколений химиков.

В современной химии наряду с методом ВС широко используется метод молекулярных орбиталей (ММО), который рассматривает молекулу как единое целое с электронами, движущимися по молекулярным, а не атомным орбиталям.

Также важно различать понятия валентность и степень окисления. Валентность — это число химических связей, образованных атомом, и она не имеет знака (например, валентность углерода в метане $CH_4$ равна IV). Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи являются ионными. Для углерода в метане она равна -4.

Ответ: История понятия «валентность» прошла путь от эмпирической «соединительной силы» (Франкленд) через структурную теорию (Бутлеров, Кекуле) и систематизацию в рамках Периодического закона (Менделеев) к электронным теориям (Льюис, Коссель) и, наконец, к современному квантово-механическому описанию природы химической связи (Гайтлер, Лондон, Полинг), которое объясняет валентность через поведение электронов, гибридизацию орбиталей и энергетическую выгодность образования связей.