13 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Определяем валентность химических элементов

Валентность химических элементов

Содержание

  1. Для чего нужна валентность?
  2. Как находить валентность?
  3. Как определить валентность по формуле?
  4. Что мы узнали?

Бонус

  • Тест по теме

Для чего нужна валентность?

Валентность химических элементов – это способность атомов элемента образовывать химические связи, то есть присоединять к себе другие атомы. Количественной мерой валентности является число связей, которые образует данный атом с другими атомами или атомными группами.

В настоящее время валентность представляет собой число ковалентных связей (в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму), которыми данный атом соединен с другими. При этом не учитывается полярность связей, а значит, валентность не имеет знака и не может быть равной нулю.

Ковалентная химическая связь – это связь, осуществляемая за счет образования общих (связывающих) электронных пар. Если между двумя атомами имеется одна общая электронная пара, то такая связь называется одинарной, если две – двойной, если три – тройной.

Как находить валентность?

Первый вопрос, который волнует учеников 8 класса, начавших изучать химию – как определить валентность химических элементов? Валентность химического элемента можно посмотреть в специальной таблице валентности химических элементов

Рис. 1. Таблица валентности химических элементов

Валентность водорода принята за единицу, так как атом водорода может образовывать с другими атомами одну связь. Валентность других элементов выражаем числом, которое показывает, сколько атомов водорода может присоединить к себе атом данного элемента. Например, валентность хлора в молекуле хлористого водорода равна единице. Следовательно формула хлористого водорода будет выглядеть так: HCl. Так как и у хлора и у водорода валентность равна единице, никакой индекс не используется. И хлор и водород являются одновалентными, так как одному атому водорода соответствует один атом хлора.

Рассмотрим другой пример: валентность углерода в метане равна четырем, валентность водорода – всегда единица. Следовательно, рядом с водородом следует поставить индекс 4. Таким образом формула метана выглядит так: CH4 .

Очень многие элементы образуют соединения с кислородом. Кислород всегда является двухвалентным. Поэтому в формуле воды H2O, где встречаются всегда одновалентный водород и двухвалентный кислород, рядом с водородом ставится индекс 2. Это значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Рис. 2. Графическая формула воды

Не все химические элементы имеют постоянную валентность, у некоторых она может изменяться в зависимости от соединений, где используется данный элемент. К элементам с постоянной валентностью относятся водород и кислород, к элементам с переменной валентностью относятся, например, железо, сера, углерод.

Как определить валентность по формуле?

Если у вас перед глазами нет таблицы валентности, но есть формула химического соединения, то возможно определение валентности по формуле. Возьмем для примера формулу оксид марганца – Mn2O7

Рис. 3. Оксид марганца

Как известно, кислород является двухвалентным. Чтобы выяснить, какой валентностью обладает марганец, необходимо валентность кислорода умножить на число атомов газа в этом соединении:

Получившееся число делим на количество атомов марганца в соединении. Получается:

7 (VII) – валентность марганца в данном соединении

Что мы узнали?

В данной теме раскрывается информация о том, что такое валентность. Валентность – способность образовывать химические соединения посредством присоединения к атомам одного элемента атомов другого элемента. Валентность бывает постоянная и переменная. Зная валентность того или иного элемента, можно легко научиться записывать формулы соединений.

Валентность химических элементов

Общая характеристика

Валентность представляет способность атомов создавать химические соединения, добавлять другие атомы. С давних времен известны исторические данные о молекулярной, атомной структуре веществ.

Необходимость и основные понятия

Определение в переводе характеризует силу, создание. Главное суждение введено до открытия строения атома. Природа химических соединений заключается в делении между собой пары частиц на валентные электроны.

Число обобществленных связей, которыми атом соединяется с другими элементами, называется валентностью. В учет не берется полярность связей, поэтому показатель не имеет знака и не равен 0. В химических сочетаниях атомные частицы находятся в числовом соотношении.

Соединения водорода H с разными микрочастицами:

Атом Cl (хлора) связан с одним А. водорода, О2 (кислорода) — с двумя, азота (N)-с тремя, а углерода — с 4 атомными частицами. В молекуле углекислого газа СО2 частица Н связана с двумя атомами кислорода.

А. соединяются по-разному с другими элементами. Такая способность выражается численной характеристикой.

Обозначение валентности:

Один атом водорода соединяется только с одной частью другого элемента, соответственно, валентность принимают за 1. Объясняя «химическим» языком, атомная частица водорода обладает единицей валентности (В), он одновалентен.

Образование химических связей атома любого элемента соответствует количеству соединившихся мелких частиц водорода. В молекуле хлороводорода валентность Cl равна 1, а в молекуле воды у атома кислорода — двум. В структурной составляющей метана В. углерода равна 4. Условно в химии обозначают единицы валентности римскими цифрами I-Х.

Историческая справка и взгляды ученых

Скудные знания о строении молекулярных и атомных частицах 19 века не позволяли объяснить причины, по которым атомы образуют связи с другими элементами. Валентность как основной принцип химии изучается до сих пор.

Ученый Э. Франкленд ввел терминологию «связь» в научные труды для характеристики взаимодействия атомов между собой. Специалист выяснил, что некоторые элементы образуют соединения с одними и теми же атомами. Азот прикрепляет три водородных частицы в молекуле аммиака.

Позже ученый выдвинул теорию о существовании конкретных чисел химической связи и назвал ее «соединительной силой». Труды Франклина стали значимым вкладом в структурную химию.

Мнения, научные работы доказаны в 1860 г. немецким деятелем Ф. Кекуле. По его мнению, углерод является из четырех основным, в самом простейшем его соединении частиц (метане) образуются связи с 4 атомами Н.

В Советском союзе информацию о строении веществ систематизировал А. Бутлеров. Последующее развитие связей получило введение периодической теории Д. Менделеева. Он подтвердил, что валентность Э. в соединениях и прочие свойства обусловлены занятым положением в периодической системе.

Главным преимуществом теории В. является возможность наглядного изображения молекулярного строения. Первые модели возникли в середине 19 века, а позже использовались структурные формулы в виде окружности с химическим знаком. Между обозначений атомов черточкой выделяется связь, а число линий соответствует В.

Основная классификация

Элементы распределяются с постоянной и переменной валентностью. Углерод соединяется с различными атомами кислорода, поэтому имеет переменную валентность. Многие элементы имеют неустойчивую величину.

Водород образует связь не с каждым элементом, а кислородные соединения имеются почти у всех. В таких сочетаниях атомы О2 проявляют двукратную валентность.

Ковалентная связь осуществляется из-за образования общих электронных пар. Когда между 2 атомными структурами (А) существует совместная электронная пара, она называется одинарной, при наличии двух — двойной, трех — тройной.

Валентность азота N в связи NH3 составляет III, поскольку один атом Н связан с тремя частицами N. Валентность углерода в метане (СН4), по тому же принципу будет 4 (IV).

Валентность хлора в молекуле хлороводорода равна единице, индекс не применяется. Одному атому H соответствует 1 атом Cl. Если образованная химическая связь углерода © в метане равна 4, валентность Н — всегда 1. Рядом с Н ставится индекс 4, а формула метана выглядит следующим образом: CH4.

Постоянной одной В. остается H, K, F. Двухвалентные — кислород, магний, кальций, цинк, а трехвалентные — алюминий. Валентность брома, железа, меди, хлора или прочих элементов модифицируется, когда они формируют различные соединения.

Йод представлен в таблице 53 по счету. Присутствие одного неспаренного электрона говорит о способности проявлять низшую В., равную единице в соединениях. Зная валентность, можно легко составить формулы соединений.

Определение по формуле

Если под рукой нет таблицы Менделеева, то существует возможность установления В. элемента с помощью несложных расчетов. Для примера выбирается формула оксида марганца — Mn2O7.

Кислород двухвалентный, а для определения марганца В. кислорода умножают на число атомов газа в сочетании 2*7, получается 14. Это число делится на количество мелких атомных частиц Mn:14/2 = 7. В полученном соединении валентность составляет VII.

Индексы в молекулярных веществах отображают число А., входящих в состав. Получив формулу вещества, в котором известна В. одного элемента, можно определить В. другого. В веществе, состоящем из молекул число В. обоих элементов равно. Используется минимальное общее кратное для определения неизвестной В.

Например, в образовании формулы связи оксида железа Fe2O3 участвуют пара атомов Fe с валентностью III и три атома O с двойной валентностью. Минимальным общим кратным будет 6.

Для правильной формулировки записи оксида фосфора учитывается В кислорода (II) и фосфора (V). Наименьшее общее кратное для Р и О получается десять. Обозначение записывается Р2О5.

Понимая и зная свойства элементов, проявляющих в разных сочетаниях, можно находить валентность по внешнему параметру соединений. Оксиды меди (купрум) имеют красный (Cu2O) и черный (CuО) цвет. Гидроксиды меди будут желтыми (CuОН) и синими (Cu (ОН)2).

Чтобы составить формулу бинарных соединений элементов, достаточно определить валентность. Если требуется записать формулу кислородного соединения хлора (ClO), в котором валентность Cl равна 7, соблюдают последовательность:

  • Записывают символы элементов и валентность. Это VII II ClO.
  • Найти меньшее кратное валентностей двух элементов. VII*II, получается 14.
  • Делят наименьшее кратное на В. каждого элемента, находят значение индексов. 14/2 = 7, 14/7 = 2.

Записывают индексы возле знаков элементов. Получается Cl2O7.

Труды Менделеева

Согласно электронной теории, В. атома определяется из числа непарных электронов (Э)., участвующих в формировании пар с Э. других атомов. Понятие В. связано с созданием закона Менделеева.

Теория электронов

Атомы представляют положительную основу (ядро), вокруг которой расположены отрицательно заряженные электроны. Наружная оболочка последних бывает недостроенной, а завершенная структура устойчивее, она включает восемь электронов.

Создание связи за счет общих пар электронов приводит к благоприятному состоянию атомов.

Максимальная В. — это величина Э. во внешней оболочке атома. Химические связи составляют Э., находящиеся на наружной оболочке атома. Изучив таблицу Менделеева, можно определить, что положение веществ в периодической системе и его В. взаимосвязаны.

Валентность:

  • Высшая. Соответствует порядковому № группы.
  • Низшая. От числа вида по табличным данным отнимают номер интересующего элемента.

Основанием для образования соединений является прием электронов.

Виды электронов:

  • Спаренные. Расположены на одной орбитали.
  • Неспаренные. Это 1 электрон на орбитали.

Когда атом отрицательно заряжен частицами без пары для взаимодействия, то они образуются в таком количестве, сколько имеется неспаренных электронов.

В молекулярной структуре водорода и серы H2S последнее вещество приобретает двойную валентность (-), потому что каждый атом участвует в образовании 2 электропар. Знак черточка или тире указывает на притяжение пары к более отрицательному элементу. У менее отрицательного к валентности добавляют знак плюс.

Распределение свойств

В периодической таблице указаны все 118 химических элементов (водород, литий, бор, натрий, магний, кальций, ванадий, уран и другие).

Химические и физические свойства каждого вещества похожи с предшествующим ему в таблице элементом. Закономерность проявляется у всех, кроме нескольких первых, потому что они не включают перед собой элементов, аналогичных по атомному объему.

Определяем валентность химических элементов

Из материалов урока вы узнаете, что постоянство состава вещества объясняется наличием у атомов химических элементов определенных валентных возможностей; познакомитесь с понятием «валентность атомов химических элементов»; научитесь определять валентность элемента по формуле вещества, если известна валентность другого элемента; научитесь составлять химические формулы по валентности.

I. Понятие “валентность”

Со­став боль­шин­ства ве­ществ по­сто­я­нен. На­при­мер, мо­ле­ку­ла воды все­гда со­дер­жит 2 атома во­до­ро­да и 1 атом кис­ло­ро­да – Н2О. Воз­ни­ка­ет во­прос: по­че­му ве­ще­ства имеют по­сто­ян­ный со­став?

Про­ана­ли­зи­ру­ем со­став пред­ло­жен­ных ве­ществ: Н2О, NaH, NH3, CH4, HCl. Все они со­сто­ят из ато­мов двух хи­ми­че­ских эле­мен­тов, один из ко­то­рых во­до­род. На один атом хи­ми­че­ско­го эле­мен­та может при­хо­дить­ся 1,2,3,4 атома во­до­ро­да. Но ни в одном ве­ще­стве не будет на один атом во­до­ро­да при­хо­дить­ся несколь­ко ато­мов дру­го­го хи­ми­че­ско­го эле­мен­та. Таким об­ра­зом, атом во­до­ро­да может при­со­еди­нять к себе ми­ни­маль­ное ко­ли­че­ство ато­мов дру­го­го эле­мен­та, а точ­нее, толь­ко один.

Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.

Валентность элемента можно представить как число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента может соединяться атом данного элемента. Валентность элемента – это число связей, которое образует атом:

Na – одновалентен (одна связь)

H – одновалентен (одна связь)

O – двухвалентен (две связи у каждого атома)

S – шестивалентна (образует шесть связей с соседними атомами)

II. Правила определения валентности элементов в соединениях

Посмотрите видео по данной теме:

  1. Валентность водорода принимают за I (единицу). Тогда в соответствии с формулой воды Н2О к одному атому кислорода присоединено два атома водорода.
  2. Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II. Поэтому углерод в соединении СО2 (углекислый газ) имеет валентность IV.
  3. Высшая валентность равна номеру группы.
  4. Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в таблице) и номером группы, в которой находится данный элемент, т.е. 8 —Nгруппы.
  5. У металлов, находящихся в «А» подгруппах, валентность равна номеру группы.
  6. У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая. Например: сера имеет высшую валентность VI и низшую (8 – 6), равную II; фосфор проявляет валентности V и III.
  7. Валентность может быть постоянной или переменной.

Валентность элементов необходимо знать, чтобы составлять химические формулы соединений.

Зная фор­му­лу ве­ще­ства, со­сто­я­ще­го из ато­мов двух хи­ми­че­ских эле­мен­тов, и ва­лент­ность од­но­го из них, можно опре­де­лить ва­лент­ность дру­го­го эле­мен­та.

При­мер 1. Опре­де­лим ва­лент­ность уг­ле­ро­да в ве­ще­стве СН4.

Зная, что ва­лент­ность во­до­ро­да все­гда равна I, а уг­ле­род при­со­еди­нил к себе 4 атома во­до­ро­да, можно утвер­ждать, что ва­лент­ность уг­ле­ро­да равна IV. Ва­лент­ность ато­мов обо­зна­ча­ет­ся рим­ской циф­рой над зна­ком эле­мен­та: .

При­мер 2. Опре­де­лим ва­лент­ность фос­фо­рав со­еди­не­нии Р2О5.

Для этого необ­хо­ди­мо вы­пол­нить сле­ду­ю­щие дей­ствия:

1. Над зна­ком кис­ло­ро­да за­пи­сать зна­че­ние его ва­лент­но­сти – II (кис­ло­род имеет по­сто­ян­ное зна­че­ние ва­лент­но­сти);

2. Умно­жив ва­лент­ность кис­ло­ро­да на число ато­мов кис­ло­ро­да в мо­ле­ку­ле, найти общее число еди­ниц ва­лент­но­сти – 2·5=10;

3. Раз­де­лить по­лу­чен­ное общее число еди­ниц ва­лент­но­стей на число ато­мов фос­фо­ра в мо­ле­ку­ле – 10_2=5.

Таким образом, валентность фосфора в данном соединении равна V – .

IV. Cоставление бинарных формулпо валентностям химических элементов

Бинарная химическая формула – это формула химического соединения, в состав которого входят два вида атомов.

V. Задания для закрепления

Задание №1.

Даны химические элементы и указана их валентность. Составьте соответствующие химические формулы:
I II V IV III VII III II IV III
Li O, Ba O, P O, SnO, P H, MnO, Fe O, H S, N O, Cr Cl

Задание №2.

Составьте формулы молекул для следующих соединений:

1) меди и кислорода,

2) цинка и хлора,

4) магния и серы.

Задание №3.

Используя материалы лекции составьте бинарные формулы следующими элементами:
А) бор и кислород;
Б) алюминий и хлор;
В) литий и сера.

Задание №4

Определите валентность химических элементов по формулам их соединений:

Студенческая жизнь .

Сайт о жизни студентов во всех ее проявлениях

Как определить валентность элемента?

Существует несколько определений понятия «валентность». Чаще всего этим термином называют способность атомов одного элемента присоединять определённое число атомов других элементов. Часто у тех, кто только начинает изучать химию, возникает вопрос: Как определить валентность элемента?. Сделать это несложно, зная несколько правил.

Валентности постоянные и переменные

Рассмотрим соединения HF, H2S и CaH2. В каждом из этих примеров один атом водорода присоединяет к себе только один атом другого химического элемента, значит его валентность равна одному. Значение валентности записывают над символом химического элемента римскими цифрами.

В приведённом примере атом фтора связан только с одним одновалентным атомом H, значит валентность его тоже равна 1. Атом серы в H2S присоединяет к себе уже два атома H, поэтому она в данном соединении двухвалентна. С двумя водородными атомами связан и кальций в его гидриде CaH2, а значит, и его валентность равна двум.

Кислород в подавляющем большинстве своих соединений двухвалентен, то есть образует две химические связи с другими атомами.

Атом серы в первом случае присоединяет к себе два кислородных атома, то есть всего образует 4 химические связи (один кислород образует две связи, значит сера — два раза по 2), то есть валентность ее равна 4.

В соединении SO3 сера присоединяет уже три атома O, поэтому и валентность ее равна 6 (три раза образует по две связи с каждым атомом кислорода). Атом кальция же присоединяет только один атом кислорода, образуя с ним две связи, значит, его валентность такая же, как и у O, то есть равна 2.

Обратите внимание на то, что атом H одновалентен в любом соединении. Всегда (кроме иона гидроксония H3O(+)) равна 2 валентность кислорода. По две химические связи как с водородом, так и с кислородом образует кальций. Это элементы с постоянной валентностью. Кроме уже указанных, постоянную валентность имеют:

  • Li, Na, K, F — одновалентны;
  • Be, Mg, Ca, Zn, Cd — обладают валентностью, равной II;
  • B, Al и Ga — трехвалентны.

Атом серы, в отличие от рассмотренных случаев, в соединении с водородом имеет валентность, равную II, а с кислородом может быть и четырех- и шестивалентна. Про атомы таких элементов говорят, что они имеют переменную валентность. При этом максимальное ее значение в большинстве случаев совпадает с номером группы, в которой находится элемент в Периодической системе (правило 1).

Из этого правила есть много исключений. Так, элемент 1 группы медь, проявляет валентности и I, и II. Железо, кобальт, никель, азот, фтор, напротив, имеют максимальную валентность, меньшую, чем номер группы. Так, для Fe, Co, Ni это II и III, для N — IV, а для фтора — I.

Минимальное значение валентности всегда соответствует разнице между числом 8 и номером группы (правило 2).

Однозначно определить, какова же валентность элементов, у которых она переменная, можно только по формуле определенного вещества.

Определение валентности в бинарном соединении

Рассмотрим, как определить валентность элемента в бинарном (из двух элементов) соединении. Здесь возможны два варианта: в соединении валентность атомов одного элемента известна точно или же обе частицы с переменной валентностью.

Случай первый:

  • Fe2O3 — валентность кислорода постоянна и равна II. Три атома О имеют 2 × 3 = 6 единиц валентности.
  • Далее работаем по правилу: суммарное число единиц валентности для атомов одного элемента совпадает с числом единиц валентности для атомов другого вида (правило 3).
  • Согласно этому правилу, общее число единиц валентности для железа тоже равно 6.
  • Разделим общее число валентных единиц на количество атомов железа, то есть на 2, и получим валентность железа, равную III.

Случай второй:

  • SnCI4 — оба атома с переменной валентностью. Применяем ещё одно правило: в бинарном соединении элемент, стоящий на втором месте, имеет минимальную валентность. В соединениях металлов с неметаллами на втором месте записывают неметалл. В формуле вещества, состоящего только из неметаллов, на втором месте пишут символ того элемента, который в ПСХЭ находится правее или выше.
  • В приведённом примере Sn (олово) — металл, CI — неметалл, соответственно он и будет иметь минимальную валентность. Её определим, исходя из правила 2: 8 — 7 = 1
  • Далее определим суммарное число единиц валентности у хлора: 4 × 1= 4
  • Воспользуемся правилом 3. Суммарное количество валентных единиц олова тоже будет равно 4. Все они приходятся на один атом Sn, значит, это и есть его валентность.

Определение валентности по формуле трехэлементной частицы.

Далеко не все химические вещества состоят из двухатомных молекул. Как определить валентность элемента в трёхэлементной частице? Рассмотрим этот вопрос на примере формул двух соединения K2Cr2O7.

  • Cr здесь называют центральным атомом. Необходимо помнить, что все остальные атомы связаны с ним через кислородные мостики. Исходя из этого, и будем производить вычисления.
  • Кислород — элемент с постоянной валентностью, равной двум. Калий всегда одновалентен.
  • Всего атомы O образуют 7 × 2 = 14 единиц валентности, а атомы калия 1 × 2 = 2.
  • Из 14 валентных единиц атом серы два расходует на присоединение калия, следовательно, на хром их остаётся 14 — 2 = 12.
  • Это число единиц валентности приходится на 2 атома Cr, значит, на один атом приходится 12÷2=6.

Если же вместо калия в формуле будет присутствовать железо, или другой элемент с переменной валентностью, нам потребуется знать, какова же валентность кислотного остатка. Например, нужно вычислить валентности атомов всех элементов в соединении с формулой FeSO4.

  • Атом кислорода двухвалентен, всего на кислород приходится II × 4 = 8 единиц валентности.
  • Валентность кислотного остатка SO4 равна II (как ее определить, написано в статье «Формулы кислот»).
  • По правилу 3 валентность железа в этом случае тоже равна II.
  • Центральный атом здесь S. Кислород присоединяет один атом железа, расходуя на него две валентные единицы, следовательно, на серу их остаётся 8 — 2 = 6 единиц валентности. Так как в формуле FeSO4 один атом серы, то это и есть ее валентность.

Следует отметить, что термин «валентность» чаще использую в органической химии. При составлении формул неорганических соединений чаще используют понятие «степень окисления».

Определяем валентность химических элементов

В образовании новых химических связей участвуют неспаренные электроны внешнего энергетического уровня. Именно они, как правило, определяют валентностъ элемента.

Валентность — это способность атомов химических элементов образовывать химические связи с другими атомами.

Валентность выражается числом атомов одновалентных элементов, которое атом данного элемента может замещать или присоединять во время образования определенного химического соединения. Валентность — свойство элемента, проявляемое в соединениях. Валентность обозначают римскими цифрами, она может составлять от I до VIII.

Существуют одновалентные (Н, Li, Na, K, F, Br), двухвалентные (Mg, Ca, Ba, O, S), трехвалентные (Al, N, P), четырехвалентные (C, Si) и т. п. элементы. Понятно, что один атом двухвалентного элемента соединяется с двумя атомами одновалентного элемента (CaCl2, Н2О), но с одним атомом двухвалентного атома (CaO). Атом трехвалентного элемента соединяется с тремя атомами одновалентного элемента FeCl3), два атома — трехвалентного (AlN).

Существуют атомы, имеющие постоянную (Na, K, Ca, Al, О) и переменную валентности. Например, валентность серы бывает II, IV и VI:

Рассмотрев электронно-графические формулы элементов, можно определить, что валeнтность атома водорода равна I (имеет один неспаренный электрон). По одному неспаренному электрону у лития, фтора, натрия, калия. Эти атомы тоже одновалентны. Магний двухвалентен, т. к. у него два неспаренных электрона. У атомов гелия, неона и аргона все электроны спарены и отсутствуют свободные орбитали. Эти элементы химически инертны, то есть обладают нулевой валентностью.

Однако химические элементы в соединениях далеко не всегда проявляют валентность, соответствующую количеству неспаренных электронов в основном состоянии атома. Например, углерод может проявлять валентность IV (CO2).

Возможность проявлять ту или иную валентность зависит также и от количества свободных орбиталей на внешнем электронном слое атома: при наличии незанятых электронами р-орбиталей один из спаренных s-электронов может переходить на свободную р-орбиталь (при условии получения определенной порции дополнительной энергии извне).

Состояние атома, при котором электроны переходят с одной орбитали на другую в пределах одного энергетического уровня, называется возбужденным.

Пример. Рассмотрим атом углерода в основном и возбужденном состояниях (значком * обозначается возбужденное состояние атома):

В основном состоянии атом углерода имеет два неспаренных электрона на р-подуровне; при переходе атома в возбужденное состояние один из двух электронов s-подуровня может переходить на свободную р-орбиталь. Количество неспаренных электронов в возбужденном состоянии увеличится до четырех. Валентность углерода при этом также изменится с двух до четырех.

Если в атомах нет свободных орбиталей (например, у кислорода или фтора), то разъединить электронные пары в этом случае невозможно. Поэтому вaлентность этих элементов будет совпадать с количеством неспаренных электронов: кислород двухвалентен, фтор одновалентен.

Конспект урока «Валентность химических элементов».

Определяем валентность химических элементов

Уровень знаний о строении атомов и молекул в XIX веке не позволял объяснить причину, по которой атомы образуют определенное число связей с другими частицами. Но идеи ученых опередили свое время, а валентность до сих пор изучается как один из основных принципов химии.

Из истории возникновения понятия «валентность химических элементов»

Выдающийся английский химик XIX века Эдвард Франкленд ввел термин «связь» в научный обиход для описания процесса взаимодействия атомов друг с другом. Ученый заметил, что некоторые химические элементы образуют соединения с одним и тем же количеством других атомов. Например, азот присоединяет три атома водорода в молекуле аммиака.

В мае 1852 года Франкленд выдвинул гипотезу о том, что существует конкретное число химических связей, которые атом может образовывать с другими мельчайшими частицами вещества. Франкленд использовал фразу «соединительная сила» для описания того, что позже будет названо валентностью. Британский химик установил, сколько химических связей формируют атомы отдельных элементов, известных в середине XIX столетия. Работа Франкленда стала важным вкладом в современную структурную химию.

Развитие взглядов

Немецкий химик Ф.А. Кекуле доказал в 1857 году, что углерод является четырехосновным. В его простейшем соединении — метане — возникают связи с 4 атомами водорода. Термин «основность» ученый применял для обозначения свойства элементов присоединять строго определенное количество других частиц. В России данные о строении вещества систематизировал А. М. Бутлеров (1861). Дальнейшее развитие теория химической связи получила благодаря учению о периодическом изменении свойств элементов. Его автор — другой выдающийся русский химик, Д. И. Менделеев. Он доказал, что валентность химических элементов в соединениях и другие свойства обусловлены тем положением, которое они занимают в периодической системе.

Возможность наглядного изображения молекул — одно из несомненных достоинств теории валентности. Первые модели появились в 1860-х, а с 1864 года используются структурные формулы, представляющие собой окружности с химическим знаком внутри. Между символами атомов черточкой обозначается химическая связь, а количество этих линий равно значению валентности. В те же годы были изготовлены первые шаростержневые модели (см. фото слева). В 1866 году Кекуле предложил стереохимический рисунок атома углерода в форме тетраэдра, который он и включил в свой учебник «Органическая химия».

Валентность химических элементов и возникновение связей изучал Г. Льюис, опубликовавший свои труды в 1923 году после открытия электрона. Так называются отрицательно заряженные мельчайшие частицы, которые входят в состав оболочек атомов. В своей книге Льюис применил точки вокруг четырех сторон символа химического элемента для отображения валентных электронов.

Валентность по водороду и кислороду

До создания периодической системы валентность химических элементов в соединениях принято было сравнивать с теми атомами, для которых она известна. В качестве эталонов были выбраны водород и кислород. Другой химический элемент притягивал либо замещал определенное количество атомов H и O.

Таким способом определяли свойства в соединениях с одновалентным водородом (валентность второго элемента обозначена римской цифрой):

  • HCl — хлор (I):
  • H2O — кислород (II);
  • NH3 — азот (III);
  • CH4 — углерод (IV).

В оксидах K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 определяли валентность по кислороду металлов и неметаллов, удвоив число присоединяемых атомов O. Получали следующие значения: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).

Как определять валентность химических элементов

Существуют закономерности образования химической связи с участием общих электронных пар:

  • Типичная валентность водорода — I.
  • Обычная валентность кислорода — II.
  • Для элементов-неметаллов низшую валентность можно определить по формуле 8 — № группы, в которой они находятся в периодической системе. Высшая, если она возможна, определяется по номеру группы.
  • Для элементов побочных подгрупп максимально возможная валентность такая же, как номер их группы в периодической таблице.

Определение валентности химических элементов по формуле соединения проводится с использованием следующего алгоритма:

  1. Запишите сверху над химическим знаком известное значение для одного из элементов. Например, в Mn2O7 валентность кислорода равна II.
  2. Вычислите суммарную величину, для чего необходимо умножить валентность на количество атомов того же химического элемента в молекуле: 2*7 = 14.
  3. Определите валентность второго элемента, для которого она неизвестна. Разделите полученную в п. 2 величину на количество атомов Mn в молекуле.
  4. 14 : 2 = 7. Валентность марганца в его высшем оксиде — VII.

Постоянная и переменная валентность

Значения валентности по водороду и кислороду различаются. Например, сера в соединении H2S двухвалентна, а в формуле SO3 — шестивалентна. Углерод образует с кислородом монооксид CO и диоксид CO2. В первом соединении валентность C равна II, а во втором — IV. Такое же значение в метане CH4.

Большинство элементов проявляет не постоянную, а переменную валентность, например, фосфор, азот, сера. Поиски основных причин этого явления привели к возникновению теорий химическй связи, представлений о валентной оболочке электронов, молекулярных орбиталях. Существование разных значений одного и того же свойства получило объяснение с позиций строения атомов и молекул.

Современные представления о валентности

Все атомы состоят из положительного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Наружная оболочка, которую они образуют, бывает недостроенной. Завершенная структура наиболее устойчива, она содержит 8 электронов (октет). Возникновение химической связи благодаря общим электронным парам приводит к энергетически выгодному состоянию атомов.

Правилом для формирования соединений является завершение оболочки путем приема электронов либо отдачи неспаренных — в зависимости от того, какой процесс легче проходит. Если атом предоставляет для образования химической связи отрицательные частицы, не имеющие пары, то связей он образует столько, сколько у него неспаренных электронов. По современным представлениям, валентность атомов химических элементов — это способность к образованию определенного числа ковалентных связей. Например, в молекуле сероводорода H2S сера приобретает валентность II (–), поскольку каждый атом принимает участие в образовании двух электронных пар. Знак «–» указывает на притяжение электронной пары к более электроотрицательному элементу. У менее электроотрицательного к значению валентности дописывают «+».

При донорно-акцепторном механизме в процессе принимают участие электронные пары одного элемента и свободные валентные орбитали другого.

Зависимость валентности от строения атома

Рассмотрим на примере углерода и кислорода, как зависит от строения вещества валентность химических элементов. Таблица Менделеева дает представление об основных характеристиках атома углерода:

  • химический знак — C;
  • номер элемента — 6;
  • заряд ядра — +6;
  • протонов в ядре — 6;
  • электронов — 6, в том числе 4 внешних, из которых 2 образуют пару, 2 — неспаренных.

Если атом углерода в моноооксиде CO образует две связи, то в его пользование поступает только 6 отрицательных частиц. Для приобретения октета необходимо, чтобы пары образовали 4 внешние отрицательные частицы. Углерод имеет валентность IV (+) в диоксиде и IV (–) в метане.

Порядковый номер кислорода — 8, валентная оболочка состоит из шести электронов, 2 из них не образуют пары и принимают участие в химической связи и взаимодействии с другими атомами. Типичная валентность кислорода — II (–).

Валентность и степень окисления

В очень многих случаях удобнее использовать понятие «степень окисления». Так называют заряд атома, который он приобрел бы, если бы все связывающие электроны перешли к элементу, который имеет выше значение электрооотрицательности (ЭО). Окислительное число в простом веществе равно нулю. К степени окисления более ЭО элемента добавляется знак «–», менее электроотрицательного — «+». Например, для металлов главных подгрупп типичны степени окисления и заряды ионов, равные номеру группы со знаком «+». В большинстве случаев валентность и степень окисления атомов в одном и том же соединении численно совпадают. Только при взаимодействии с более электроотрицательными атомами степень окисления положительная, с элементами, у которых ЭО ниже, — отрицательная. Понятие «валентность» зачастую применяется только к веществам молекулярного строения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
×
×