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.

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

Zapisujemy atomy (zgodnie z zasadami): N O
Dopisujemy wartościowości: N^I O^II
Przepisujemy wartościowości po skosie: N^I₂ O^II₁
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.

Cu N
Cu^II N^III
Cu^II₃ N^III₂
Cu₃N₂

Ponownie w punktach poszukajmy wzoru siarczku cyny(IV):

Sn S
Sn^IV S^II
Sn^IV₂ S^II₄
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*:

Al P
Al^III P^III
Al^III₃ P^III₃
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.

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:

Na (SO₄)
Na^I (SO₄)^II
Na^I₂ (SO₄)^II₁
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.