Valencia (química) - Valence (chemistry)

En química , la valencia o valencia de un elemento es la medida de su capacidad de combinación con otros átomos cuando forma compuestos químicos o moléculas .

Descripción

La capacidad de combinación o afinidad de un átomo de un elemento dado está determinada por el número de átomos de hidrógeno con los que se combina. En el metano , el carbono tiene una valencia de 4; en el amoniaco , el nitrógeno tiene una valencia de 3; en el agua, el oxígeno tiene una valencia de 2; y en el cloruro de hidrógeno, el cloro tiene una valencia de 1. El cloro, ya que tiene una valencia de uno, puede sustituirse por hidrógeno. El fósforo tiene una valencia de 5 en el pentacloruro de fósforo , PCl 5 . Los diagramas de valencia de un compuesto representan la conectividad de los elementos, con líneas dibujadas entre dos elementos, a veces llamadas enlaces, que representan una valencia saturada para cada elemento. Las dos tablas siguientes muestran algunos ejemplos de diferentes compuestos, sus diagramas de valencia y las valencias de cada elemento del compuesto.

Compuesto H 2
Hidrógeno
CH 4
metano
C 3 H 8
Propano
C 2 H 2
Acetileno
Diagrama Wasserstoff.svg Metano-2D-plano-pequeño.png Propano-2D-plano.png Ethyne-2D-flat.png
Valencias
Compuesto NH 3
Amoníaco
Cianuro de sodio NaCN
H 2 S
sulfuro de hidrógeno
H 2 SO 4
Ácido sulfúrico
Heptóxido de dicloro Cl 2 O 7
XeO 4
tetróxido de xenón
Diagrama Ammoniak.png Cianuro de sodio-2D.svg Sulfuro de hidrógeno.svg Estructura química del ácido sulfúrico.png Heptóxido de dicloro.svg Xenon-tetróxido-2D.png
Valencias

Definiciones modernas

La valencia está definida por la IUPAC como:

El número máximo de átomos univalentes (originalmente átomos de hidrógeno o cloro) que pueden combinarse con un átomo del elemento en consideración, o con un fragmento, o por el cual se puede sustituir un átomo de este elemento.

Una descripción moderna alternativa es:

El número de átomos de hidrógeno que se pueden combinar con un elemento en un hidruro binario o el doble del número de átomos de oxígeno que se combinan con un elemento en su óxido u óxidos.

Esta definición difiere de la definición de la IUPAC ya que se puede decir que un elemento tiene más de una valencia.

Una definición moderna muy similar dada en un artículo reciente define la valencia de un átomo en particular en una molécula como "el número de electrones que un átomo usa para unirse", con dos fórmulas equivalentes para calcular la valencia:

valencia = número de electrones en la capa de valencia del átomo libre - número de electrones no enlazantes en el átomo en la molécula ,

y

valencia = número de enlaces + carga formal .

Desarrollo historico

La etimología de las palabras de valencia (plural valencias ) y valencia (plural valencias ) se remonta a 1425, lo que significa "extracto, la preparación", del latín valentia "fuerza, capacidad", desde el anterior valor "valor, valor", y el producto químico el significado que se refiere al "poder de combinación de un elemento" se registra a partir de 1884, del alemán Valenz .

Combinaciones de partículas definitivas de William Higgins (1789)

El concepto de valencia se desarrolló en la segunda mitad del siglo XIX y ayudó a explicar con éxito la estructura molecular de los compuestos orgánicos e inorgánicos. La búsqueda de las causas subyacentes de la valencia condujo a las teorías modernas del enlace químico, incluido el átomo cúbico (1902), las estructuras de Lewis (1916), la teoría del enlace de valencia (1927), los orbitales moleculares (1928), la teoría de la repulsión del par de electrones de la capa de valencia. (1958) y todos los métodos avanzados de química cuántica .

En 1789, William Higgins publicó opiniones sobre lo que llamó combinaciones de partículas "últimas", que presagiaban el concepto de enlaces de valencia . Si, por ejemplo, según Higgins, la fuerza entre la última partícula de oxígeno y la última partícula de nitrógeno fuera 6, entonces la fuerza de la fuerza se dividiría en consecuencia, y de la misma manera para las otras combinaciones de partículas últimas (ver ilustración). .

Sin embargo, el origen exacto de la teoría de las valencias químicas se remonta a un artículo de 1852 de Edward Frankland , en el que combinó la teoría radical más antigua con pensamientos sobre la afinidad química para mostrar que ciertos elementos tienen la tendencia a combinarse con otros elementos para formar compuestos que contienen 3, es decir, en los grupos de 3 átomos (p. ej., NO 3 , NH 3 , NI 3 , etc.) o 5, es decir, en los grupos de 5 átomos (p. ej., NO 5 , NH 4 O, PO 5 , etc.), equivalentes de los elementos adjuntos. Según él, esta es la forma en que se satisfacen mejor sus afinidades y, siguiendo estos ejemplos y postulados, declara cuán obvio es que

Una tendencia o ley prevalece (aquí), y que, sin importar cuáles sean los caracteres de los átomos que se unen, el poder de combinación del elemento atrayente, si se me permite el término, siempre se satisface con el mismo número de estos átomos. .

Este "poder de combinación" fue posteriormente llamado cuantivalencia o valencia (y valencia por los químicos estadounidenses). En 1857 August Kekulé propuso valencias fijas para muchos elementos, como 4 para el carbono, y las utilizó para proponer fórmulas estructurales para muchas moléculas orgánicas , que todavía se aceptan hoy.

La mayoría de los químicos del siglo XIX definieron la valencia de un elemento como el número de sus enlaces sin distinguir diferentes tipos de valencia o de enlace. Sin embargo, en 1893 Alfred Werner describió complejos de coordinación de metales de transición como [Co (NH 3 ) 6 ] Cl 3 , en los que distinguió valencias principales y subsidiarias (en alemán: 'Hauptvalenz' y 'Nebenvalenz'), correspondientes a los conceptos modernos de estado de oxidación y número de coordinación respectivamente.

Para los elementos del grupo principal , en 1904 Richard Abegg consideró valencias positivas y negativas (estados de oxidación máximo y mínimo) y propuso la regla de Abegg en el sentido de que su diferencia es a menudo de 8.

Electrones y valencia

El modelo de Rutherford del átomo nuclear (1911) mostró que el exterior de un átomo está ocupado por electrones , lo que sugiere que los electrones son responsables de la interacción de los átomos y la formación de enlaces químicos. En 1916, Gilbert N. Lewis explicó la valencia y los enlaces químicos en términos de una tendencia de los átomos (del grupo principal) a lograr un octeto estable de 8 electrones de capa de valencia. Según Lewis, el enlace covalente conduce a octetos por el intercambio de electrones, y el enlace iónico conduce a octetos por la transferencia de electrones de un átomo a otro. El término covalencia se atribuye a Irving Langmuir , quien declaró en 1919 que "el número de pares de electrones que un átomo determinado comparte con los átomos adyacentes se denomina covalencia de ese átomo". El prefijo co- significa "juntos", de modo que un enlace covalente significa que los átomos comparten una valencia. Posteriormente a eso, ahora es más común hablar de enlaces covalentes en lugar de valencia , que ha caído en desuso en el trabajo de nivel superior debido a los avances en la teoría de los enlaces químicos, pero todavía se usa ampliamente en estudios elementales, donde proporciona una introducción heurística al tema.

En la década de 1930, Linus Pauling propuso que también existen enlaces covalentes polares , que son intermedios entre covalentes e iónicos, y que el grado de carácter iónico depende de la diferencia de electronegatividad de los dos átomos enlazados.

Pauling también consideró moléculas hipervalentes , en las que los elementos del grupo principal tienen valencias aparentes mayores que el máximo de 4 permitido por la regla del octeto. Por ejemplo, en la molécula de hexafluoruro de azufre (SF 6 ), Pauling consideró que el azufre forma 6 enlaces verdaderos de dos electrones utilizando orbitales atómicos híbridos sp 3 d 2 , que combinan uno s, tres p y dos orbitales d. Sin embargo, más recientemente, los cálculos de la mecánica cuántica en esta y otras moléculas similares han demostrado que el papel de los orbitales d en el enlace es mínimo, y que la molécula SF 6 debe describirse como que tiene 6 enlaces covalentes polares (parcialmente iónicos) hechos de solo cuatro orbitales en azufre (uno sy tres p) de acuerdo con la regla del octeto, junto con seis orbitales en los flúor. Cálculos similares en moléculas de metales de transición muestran que el papel de los orbitales p es menor, de modo que un orbital sy cinco orbitales d en el metal son suficientes para describir el enlace.

Valencias comunes

Para los elementos de los grupos principales de la tabla periódica , la valencia puede variar entre 1 y 7.

Grupo Valencia 1 Valencia 2 Valencia 3 Valencia 4 Valencia 5 Valencia 6 Valencia 7 Valence 8 Valencias típicas
1 (yo) NaCl 1
2 (II) MgCl 2 2
13 (III) BCl 3
AlCl 3
Al 2 O 3
3
14 (IV) CO CH 4 4
15 (V) NO NH 3
PH 3
Como 2 O 3
NO 2 N 2 O 5
PCl 5
3 y 5
16 (VI) H 2 O
H 2 S
SO 2 SO 3 2 y 6
17 (VII) HCl HClO 2 ClO 2 HClO 3 Cl 2 O 7 1 y 7
18 (VIII) XeO 4 8

Muchos elementos tienen una valencia común relacionada con su posición en la tabla periódica, y hoy en día esto está racionalizado por la regla del octeto . Los prefijos numéricos griegos / latinos (mono- / uni-, di- / bi-, tri- / ter-, etc.) se utilizan para describir iones en los estados de carga 1, 2, 3, etc., respectivamente. La polivalencia o multivalencia se refiere a especies que no están restringidas a un número específico de enlaces de valencia . Las especies con una sola carga son univalentes (monovalentes). Por ejemplo, el catión Cs + es un catión univalente o monovalente, mientras que el catión Ca 2+ es un catión divalente y el catión Fe 3+ es un catión trivalente. A diferencia de Cs y Ca, el Fe también puede existir en otros estados de carga, en particular 2+ y 4+, por lo que se conoce como ión multivalente (polivalente). Los metales de transición y los metales de la derecha suelen ser multivalentes, pero no existe un patrón simple que prediga su valencia.

Adjetivos de valencia usando el sufijo -valente
Valencia Adjetivo más común ‡ Adjetivo sinónimo menos común ‡ §
0-valent cerovalente no valente
1 valente monovalente univalente
2-valente bivalente bivalente
3-valente trivalente tervalente
4 valente tetravalente tetravalente
5-valente pentavalente quinquevalente /quinquivalente
6-valente hexavalente sexivalente
7 valente heptavalente septivalente
8 valente octavalente -
9 valente no valente -
10 valente decavalente -
múltiple / muchos / variable polivalente multivalente
juntos covalente -
no juntos no covalente -

† Los mismos adjetivos también se utilizan en medicina para referirse a la valencia de la vacuna, con la ligera diferencia de que en este último sentido, quadri- es más común que tetra- .

‡ Como lo demuestran los recuentos de visitas en la búsqueda web de Google y los corpus de búsqueda de Google Books (consultado en 2017).

§ Se pueden encontrar algunas otras formas en grandes corpus del idioma inglés (por ejemplo, * quintavalente, * quintivalente, * decivalente ), pero no son las formas establecidas convencionalmente en inglés y, por lo tanto, no se ingresan en los diccionarios principales.

Valencia versus estado de oxidación

Debido a la ambigüedad del término valencia, actualmente se prefieren otras notaciones. Además del sistema de estados de oxidación (también llamados números de oxidación ) como se usa en la nomenclatura Stock para compuestos de coordinación , y la notación lambda, como se usa en la nomenclatura IUPAC de química inorgánica , el estado de oxidación es una indicación más clara del estado electrónico de los átomos en una molécula.

El estado de oxidación de un átomo en una molécula da el número de electrones de valencia que ha ganado o perdido. A diferencia del número de valencia, el estado de oxidación puede ser positivo (para un átomo electropositivo) o negativo (para un átomo electronegativo ).

Los elementos en un estado de oxidación elevado pueden tener una valencia superior a cuatro. Por ejemplo, en los percloratos , el cloro tiene siete enlaces de valencia; el rutenio , en el estado de oxidación +8 en tetróxido de rutenio , tiene ocho enlaces de valencia.

Ejemplos de

Variación de valencia vs estado de oxidación para enlaces entre dos elementos diferentes
Compuesto Fórmula Valencia Estado de oxidación
Cloruro de hidrogeno HCl H = 1 Cl = 1 H = +1 Cl = −1
Ácido perclórico * HClO 4 H = 1 Cl = 7 O = 2 H = +1 Cl = +7 O = −2
Hidruro de sodio NaH Na = 1 H = 1 Na = +1 H = −1
Óxido ferroso ** FeO Fe = 2 O = 2 Fe = +2 O = −2
Óxido férrico ** Fe 2 O 3 Fe = 3 O = 2 Fe = +3 O = −2

* El ion perclorato univalente ( ClO-
4
) tiene valencia 1.
** El óxido de hierro aparece en una estructura cristalina , por lo que no se puede identificar una molécula típica.
 En el óxido ferroso, el Fe tiene el estado de oxidación II; en óxido férrico, estado de oxidación III.

Variación de valencia vs estado de oxidación para enlaces entre dos átomos del mismo elemento
Compuesto Fórmula Valencia Estado de oxidación
Cloro Cl 2 Cl = 1 Cl = 0
Peróxido de hidrógeno H 2 O 2 H = 1 O = 2 H = +1 O = −1
Acetileno C 2 H 2 C = 4 H = 1 C = −1 H = +1
Cloruro de mercurio (I) Hg 2 Cl 2 Hg = 2 Cl = 1 Hg = +1 Cl = −1

Las valencias también pueden ser diferentes de los valores absolutos de los estados de oxidación debido a la diferente polaridad de los enlaces. Por ejemplo, en diclorometano , CH 2 Cl 2 , el carbono tiene valencia 4 pero estado de oxidación 0.

Definición de "número máximo de enlaces"

Frankland consideró que la valencia (utilizó el término "atomicidad") de un elemento era un valor único que correspondía al valor máximo observado. El número de valencias no utilizadas en los átomos de lo que ahora se denominan elementos del bloque p es generalmente uniforme, y Frankland sugirió que las valencias no utilizadas se saturaron entre sí. Por ejemplo, el nitrógeno tiene una valencia máxima de 5, al formar amoníaco se dejan dos valencias sin unir; el azufre tiene una valencia máxima de 6, al formar sulfuro de hidrógeno se dejan sin unir cuatro valencias.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha realizado varios intentos para llegar a una definición inequívoca de valencia. La versión actual, adoptada en 1994:

El número máximo de átomos univalentes (originalmente átomos de hidrógeno o cloro) que pueden combinarse con un átomo del elemento en consideración, o con un fragmento, o por el cual se puede sustituir un átomo de este elemento.

El hidrógeno y el cloro se utilizaron originalmente como ejemplos de átomos univalentes, debido a su naturaleza para formar un solo enlace. El hidrógeno tiene solo un electrón de valencia y puede formar solo un enlace con un átomo que tiene una capa externa incompleta . El cloro tiene siete electrones de valencia y solo puede formar un enlace con un átomo que dona un electrón de valencia para completar la capa exterior del cloro. Sin embargo, el cloro también puede tener estados de oxidación de +1 a +7 y puede formar más de un enlace donando electrones de valencia .

El hidrógeno tiene solo un electrón de valencia, pero puede formar enlaces con más de un átomo. En el ion bifluoruro ( [HF
2
]-
), por ejemplo, forma un enlace de cuatro electrones de tres centros con dos átomos de fluoruro:

[F – HF - ↔ F - H – F]

Otro ejemplo es el enlace de dos electrones de tres centros en diborano (B 2 H 6 ).

Máximas valencias de los elementos

Las valencias máximas de los elementos se basan en los datos de la lista de estados de oxidación de los elementos .

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 dieciséis 17 18
Grupo  →
↓  Periodo
1 1
H
2
Él
2 3
Li
4
Ser
5
B
6
C
7
norte
8
O
9
F
10
Nordeste
3 11
N / A
12
Mg
13
Alabama
14
Si
15
PAG
dieciséis
S
17
Cl
18
Arkansas
4 19
K
20
California
21
Carolina del Sur
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Minnesota
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Georgia
32
Ge
33
Como
34
Se
35
Br
36
Kr
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nótese bien
42
Mes
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
CD
49
En
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6 55
Cs
56
Licenciado en Letras
1 asterisco 71
Lu
72
Hf
73
Ejército de reserva
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Correos
85
A
86
Rn
7 87
P.
88
Real academia de bellas artes
1 asterisco 103
Lr
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Monte
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Nueva Hampshire
114
Florida
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og
 
1 asterisco 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Dakota del Norte
61
Pm
62
Sm
63
UE
64
Di-s
sesenta y cinco
Tuberculosis
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
1 asterisco 89
C.A
90
Th
91
Pensilvania
92
U
93
Notario público
94
Pu
95
Soy
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Maryland
102
No
Las valencias máximas se basan en la Lista de estados de oxidación de los elementos.

Ver también

Referencias