Валентность. Степень окисления химических элементов
Валентность химических элементов
Валентность элемента — число химических связей, которые образует один атом данного элемента в данной молекуле.
Валентные возможности атома определяются числом:
- неспаренных электронов
- неподеленных электронных пар
- вакантных валентных орбиталей
Правила определения валентности элементов в соединениях
- Валентность водорода принимают за I (единицу).
- Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II.
- Высшая валентность равна номеру группы.
- Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в таблице) и номером группы, в которой находится данный элемент, т.е. 8 – № группы.
- Валентность может быть постоянной или переменной.
- Валентность простых веществ не равна нулю. Исключение VIII группа главная подгруппа (благородные газы).
Валентность элементов не имеет знака.
У металлов, находящихся в главных подгруппах, валентность равна номеру группы.
У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая.
Пример
Сера (S) имеет высшую валентность VI и низшую (8 – 6), равную II.
Фосфор (P) проявляет валентности V и III.
Запомни!
В большинстве случаев валентность и степень окисления численно совпадают, хотя это разные характеристики. Но!
- СО (монооксид углерода) – валентность атома углерода равна III, а степень окисления +2
- HNO3 (азотная кислота) – валентность атома азота равна IV, а степень окисления +5
- Н2О2 (пероксид водорода) – валентность водорода равна I, валентность атома кислорода равна II, а степень окисления водорода равна +1, а степень окисления кислорода равна -1. Аналогично во всех пероксидах валентность кислорода равна II.
- N2H4 (гидразин) – валентность азота равна III, а степень окисления равна +2.
- H2 (I), N2 (III), O2 (II), F2 (I), Cl2 (I), Br2 (I), I2 (I), а степени окисления равны 0.
Степень окисления химических элементов
Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный в предположении, что все связи в соединении ионные (то есть все связывающие электронные пары полностью смещены к атому более электроотрицательного элемента).
Численно она равна количеству электронов, которое отдает атом приобретающий положительный заряд, или количеству электронов, которое присоединяет к себе атом, приобретающий отрицательный заряд.
Различие понятий степень окисления и валентность
Понятие валентность используется для количественного выражения электронного взаимодействия в ковалентных соединениях, то есть в соединениях, образованных за счет образования общих электронных пар. Степень окисления используется для описания реакций, которые сопровождаются отдачей или присоединением электронов.
В отличии от валентности, являющейся нейтральной характеристикой, степень окисления может иметь положительное, отрицательное, или нулевое значение. Положительное значение соответствует числу отданных электронов, а отрицательная числу присоединенных. Нулевое значение означает, что элемент находится либо в форме простого вещества, либо он был восстановлен до 0 после окисления, либо окислен до нуля после предшествующего восстановления.
Определение степени окисления конкретного химического элемента
Степень окисления простых веществ всегда равна нулю.
Элементы с постоянной степенью окисления
Степень окисления = +№ группы
I группа главная подгруппа степень окисления +1.
II группа главная подгруппа степень окисления +2.
III группа главная подгруппа (бор, алюминий) степень окисления равна +3.
Исключения
- Водород (H) в соединениях с различными неметаллами всегда проявляет степень окисления +1, за исключением Si(+4)H4(-), B2(+3)H6(-), B(+3)H3(-), где водород принимает степень окисления -1, а в соединениях с металлами водород всегда имеет степень окисления -1: Na(+)H(-), Ca(+2)H2(-).
- Кислород в большинстве соединений имеет степень окисления -2. Однако в составе пероксидов его степень окисления равна -1 (например H2(+)O2(-), Na(2+)O(2-), Ba(+2)O2(-) и др.), а в соединениях с более электроотрицательным элементом – фтором – степень окисления кислорода положительна: O2(+)F2(-), O(+2)F2(-).
- Фтор (F) как наиболее электроотрицательный элемент во всех соединениях проявляет степень окисления -1 (хотя расположен в VII группе главной подгруппе).
- Серебро (Ag) имеет постоянную степень окисления +1 (хотя расположен в I группе побочной подгруппе).
- Цинк (Zn) имеет постоянную степень окисления +2 (хотя расположен во II группе побочной подгруппе).
Элементы с переменной степенью окисления
Все остальные элементы (за исключением VIII группы главной подгруппы).
Для элементов главных подгрупп:
- Высшая степень окисления = +№ группы.
- Низшая степень окисления = +№ группы – 8.
- Промежуточная степень окисления = +№ группы – 2.
Пример
Фосфор (P)
- Высшая степень окисления = +5.
- Низшая степень окисления = -3.
- Промежуточная степень окисления = +3.
Если молекула образована ковалентными связями, то более электроотрицательный атом имеет отрицательную степень окисления, а менее электроотрицательный — положительную.
При определении степени окисления в продуктах химических реакций исходят из правила электронейтральности, в соответствии с которым сумма степеней окисления различных элементов, входящих в состав вещества, должна быть равна нулю.
Примеры определения степеней окисления в сложных веществах
Задание 1
Определите степени окисления всех элементов в соединение N2O5.
Решение
В молекуле N2O5 более электроотрицательным является атом кислорода, следовательно, он находится в своей низшей степени окисления -2, а атом азота имеет степень окисления +5. Полученная алгебраическая сумма степеней окисления будет равняться нулю: 2*(+5) + 5*(-2) = 0.
Задание 2
Определите степени окисления всех элементов в соединение Na2SO4.
Решение
Степень окисления натрия равна +1, так как это элемент первой группы главной подгруппы. Степень окисления кислорода равна -2, так как данное соединение не относится к исключениям. Сера — это элемент VI группы главной подгруппы, поэтому у нее переменная степень окисления, которую нужно рассчитать.
Степень окисления серы (S) обозначаем за х, учитываем, что алгебраическая сумма степеней окисления равна 0, а также принимаем во внимание число атомов каждого химического элемента, получаем уравнение: 2*(+1) + х + 4(-2) = 0. Отсюда х = +6.
Задание 3
Определите степени окисления всех элементов в соединение K2Cr2O7.
Решение
Степень окисления калия равна +1, так как это элемент первой группы главной подгруппы. Степень окисления кислорода равна -2, так как данное соединение не относится к исключениям. Хром — это элемент VI группы побочной подгруппы, поэтому у нее переменная степень окисления, которую нужно рассчитать.Степень окисления серы (Cr) обозначаем за х, учитываем, что алгебраическая сумма степеней окисления равна 0, а также принимаем во внимание число атомов каждого химического элемента, получаем уравнение: 2*(+1) + 2*х + 7(-2) = 0. Отсюда х = +6.
Полезные ссылки
Источник материала
Валентность химических элементов (видео)
Степень окисления (видео)
Валентные возможности углерода (видео)
Валентные возможности азота (видео)
Дополнительные материалы
Валентные возможности атомов химических элементов (видео)
Валентность
Валентность (лат. valere – иметь значение) – мера “соединительной способности” химического элемента, равная числу индивидуальных
химических связей, которые может образовать один атом.
Определяют валентность по числу связей, которые один атом образует с другими. Для примера рассмотрим две молекулы
Для определения валентности нужно хорошо представлять графические формулы веществ. В этой статье вы увидите множество формул. Сообщаю
вам также о химических элементах с постоянной валентностью, знать которые весьма полезно.
В электронной теории считается, что валентность связи определяется числом неспаренных (валентных) электронов в основном или возбужденном
состоянии. Мы касались с вами темы валентных электронов и возбужденного состояния атома. На примере фосфора объединим эти две темы для
полного понимания.
Подавляющее большинство химических элементов обладает непостоянным значением валентности. Переменная валентность характерна для меди,
железа, фосфора, хрома, серы.
Ниже вы увидите элементы с переменной валентностью и их соединения. Заметьте, определить их непостоянную валентность нам помогают другие
элементы – с постоянной валентностью.
Запомните, что у некоторых простых веществ валентность принимает значения: III – у азота, II – кислорода. Подведем итог полученным знаниям,
написав графические формулы азота, кислорода, углекислого и угарного газов, карбоната натрия, фосфата лития, сульфата железа (II) и ацетата калия.
Как вы заметили, валентности обозначаются римскими цифрами: I, II, III и т.д. На представленных формулах валентности веществ равны:
- N – III
- O – II
- H, Na, K, Li – I
- S – VI
- C – III (в угарном газе CO, так как одна связь образована по донорно-акцепторному механизму), IV (в углекислом газе CO2 и карбонате натрия Na2CO3)
- Fe – II
Степень окисления
Степенью окисления (СО) называют условный показатель, который характеризует заряд атома в соединении и его поведение в ОВР (окислительно-восстановительной
реакции). В простых веществах СО всегда равна нулю, в сложных – ее определяют исходя из постоянных степеней окисления у некоторых элементов.
Численно степень окисления равна условному заряду, который можно приписать атому, руководствуясь предположением, что все электроны,
образующие связи, перешли к более электроотрицательному элементу.
Определяя степень окисления, одним элементам мы приписываем условный заряд “+”, а другим “-“. Это связано с электроотрицательностью –
способностью атома притягивать к себе электроны. Знак “+” означает недостаток электронов, а “-” – их избыток. Повторюсь, СО – условное
понятие.
Сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю – это важно помнить для самопроверки.
Зная изменения электроотрицательности в периодах и группах периодической таблицы Д.И. Менделеева, можно сделать вывод о том какой элемент
принимает “+”, а какой минус. Помогают в этом вопросе и элементы с постоянной степенью окисления.
Кто более электроотрицательный, тот сильнее притягивает к себе электроны и “уходит в минус”. Кто отдает свои электроны и испытывает их недостаток –
получает знак “+”.
Самостоятельно определите степени окисления атомов в следующих веществах: RbOH, NaCl, BaO, NaClO3, SO2Cl2,
KMnO4, Li2SO3, O2, NaH2PO4. Ниже вы найдете решение этой задачи.
Сравнивайте значение электроотрицательности по таблице Менделеева, и, конечно, пользуйтесь интуицией 🙂 Однако по мере изучения химии, точное знание
степеней окисления должно заменить даже самую развитую интуицию 😉
Особо хочу выделить тему ионов. Ион – атом, или группа атомов, которые за счет потери или приобретения одного или нескольких
электронов приобрел(и) положительный или отрицательный заряд.
Определяя СО атомов в ионе, не следует стремиться привести общий заряд иона к “0”, как в молекуле. Ионы даны в таблице растворимости, они имеют
разные заряды – к такому заряду и нужно в сумме привести ион. Объясню на примере.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Валентность
Слово «валентность» звучит красиво и одновременно загадочно. В этой статье вместе с экспертом разберемся, что скрывается за этим словом: что такое валентность, как ее определить и какова ее роль в химии
Термин «валентность» появился еще в Средние века, где в научных трудах он имел значение «препарат», «экстракт». И только в конце ХIХ столетия его стали использовать для обозначения связей между мельчайшими частицами вещества.
В 1852 году английский химик Э. Франкленд ввел в химию понятие «соединительная сила», которое положило начало учению о валентности. В 1857 году немецкий ученый Ф. А. Кекуле, изучая свойства углерода в метане, пришел к выводу о существовании «основности» атомов – таком же важном и постоянном свойстве, как атомный вес. Спустя три года российский химик А. М. Бутлеров усовершенствовал учение о валентности, распространив его на органические соединения.
Что такое валентность в химии
Валентность – это способность атома образовывать химические связи с другими атомами. Такие связи создаются за счет электронов, расположенных на внешнем электронном слое. Поэтому количественной мерой валентности становится число совместных связей между атомами.
Химические соединения предполагают формирование общих электронных пар. Этот процесс получил наименование «ковалентная химическая связь». В зависимости от числа общих электронных пар выделяют одинарную, двойную и тройную ковалентную связь.
Большим достижением в химии стало наглядное изображение молекул, с помощью которого легко представить себе понятие валентности и ковалентной связи. К примеру, водород имеет сокращенную химическую формулу H₂ и структурную формулу: Н – Н. Во втором случае видно, что водород обладает одновалентностью, поскольку связан в молекуле только с одним своим собратом.
Формула воды H₂O и Н – О – Н наглядно свидетельствует о двухвалентности кислорода, так как он способен создавать две ковалентные связи с атомами водорода.
Углекислый газ CO₂ и О = С = О состоит из двух атомов кислорода и атома углерода, у которого валентность равна четырем. Он может присоединять 2 двухвалентных атома кислорода либо 4 одновалентных атома водорода, как в метане СН₄.
Таблица Менделеева
Рассказываем, как пользоваться таблицей, а также даем советы, как ее быстро выучить
подробнее
Как определить валентность химических элементов
Существуют разные способы определения валентности химических элементов. Самый простой заключается в том, чтобы обратиться к специальной таблице валентности химических элементов.
Другой способ связан с расчетом валентности по химической формуле. За единицу валентности принимается валентность атома водорода, так как он способен образовывать с другими атомами только одну связь. Химические элементы, взаимодействуя с водородом, показывают собственную валентность. Например, в молекуле хлористого водорода (HCl) хлор имеет валентность I. В молекуле аммиака (NН₃) азот соединен с тремя атомами водорода, следовательно, его валентность – III.
Кроме водорода, валентность химических элементов можно определять по кислороду, который во всех своих соединениях двухвалентен. Так, в оксиде серы (IV) SO₂ валентность серы равна IV (валентность кислорода умножаем на 2). А в соединении SO₃ валентность серы уже VI (два умножаем на три).
Когда речь идет о сложных соединениях, где присутствует более двух химических элементов, определить валентность каждого из них становится сложнее. О молекуле HClO₄ можно только сказать, что остаток ClO₄ одновалентен, а в соединении H₂SO₄ остаток SO₄ двухвалентен.
Таблица валентности химических элементов
Приведем в качестве примера таблицу валентности наиболее распространенных химических элементов. Звездочкой отмечены элементы с постоянной валентностью.
| Элемент | Валентность | Элемент | Валентность |
|---|---|---|---|
| Водород (H)* | I | Барий (Ba)* | II |
| Натрий (Na)* | I | Кислород (O)* | II |
| Калий (K)* | I | Цинк (Zn) | II |
| Серебро (Ag)* | I | Олово (Sn) | II (IV) |
| Фтор (F)* | I | Свинец (Pb) | II (IV) |
| Хлор (Cl) | I (III, V, VII) | Железо (Fe) | II, III |
| Бром (Br) | I (III, V, VII) | Сера (S) | II, IV, VI |
| Йод (I) | I (III, V, VII) | Марганец (Mn) | II, IV, VII |
| Ртуть (Hg) | I, II | Хром (Cr) | III, VI |
| Медь (Cu) | I, II | Алюминий (Al)* | III |
| Бериллий (Be)* | II | Азот (N) | III (и другие) |
| Магний (Mg)* | II | Фосфор (P) | III, V |
| Кальций (Ca)* | II | Углерод (C) | IV |
| Кремний (Si) | IV (II) | Цирконий (Zr) | II, III, IV |
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Анастасия Чистякова, старший методист по естественно-научному направлению Домашней школы «ИнтернетУрок».
Что такое постоянная валентность?
В таблице Менделеева существуют так называемые элементы с постоянной валентностью. Свое название они получили из-за способности образовывать строго определенное количество химических связей. Постоянная валентность чаще всего совпадает с номером группы, где находится элемент. Таких элементов сравнительно немного, поэтому их можно легко запомнить.
Постоянную валентность I (могут присоединять или замещать только один атом другого элемента) имеют щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и фтор (F).
Постоянную валентность II (способность присоединить или заместить только два атома других элементов) имеют металлы второй группы, главной подгруппы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) и кислород (O).
Постоянную валентность III имеет всего лишь один элемент – алюминий (Al), так как только он способен присоединить либо заместить три атома других химических элементов.
Как определить валентность по таблице Менделеева?
Большинство химических элементов обладают переменной валентностью, и ее можно определить по таблице Менделеева. В этой таблице номер группы соответствует высшей валентности элемента. Если от восьми отнять номер группы, где находится элемент, мы узнаем его низшую валентность. Например, высшая валентность серы (S) – 6, так как она находится в шестой группе, а низшая – 2 (8 — 6 = 2).
Правда, бывают и исключения, которые нужно запомнить. Кремний (Si) находится в IV группе, и можно сделать предположение, что его низшая валентность – IV. Однако это не так. Низшая валентность кремния – II. Азот (N) расположен в V группе, но его низшая валентность также II.
Чем валентность отличается от степени окисления?
Понятия «валентность» и «степень окисления» являются близкими по своему значению, но далеко не тождественными. Валентность определяет количество химических связей, которыми атом элемента связан с другими атомами в молекуле. Степень окисления используется для описания тех реакций, которые сопровождаются присоединением либо отдачей электронов.
Валентность нейтральна, а степень окисления может быть положительной, отрицательной или нулевой. Положительная степень окисления соответствует количеству отданных электронов, отрицательная – числу присоединенных. Нулевая степень окисления говорит о том, что данный элемент находится или в состоянии простого вещества, или был восстановлен до нуля после окисления, или окислен до нуля после предшествующего восстановления.
Чаще всего валентность и степень окисления количественно равны, однако бывают и исключения, которые необходимо запомнить. Например, в азотной кислоте (HNO₃) валентность атома N равна IV, а степень окисления +5. В молекуле CO углерод имеет валентность II, а степень окисления +2
1.3.2. Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.
Электроотрицательность
Электроотрицательность — способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.
Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:
График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.
При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.
Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.
Степень окисления
Степень окисления – условный заряд атома химического элемента в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.
Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?
1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.
2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:
Элементы, проявляющие постоянную СО |
Значение постоянной СО этого элемента |
| Щелочные металлы, т.е. все металлы IA группы — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr |
+1 |
| Все элементы II группы, кроме ртути: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd |
+2 |
| Алюминий Al | +3 |
| Фтор F | -1 |
3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:
4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.
5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.
Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)
Химический элемент |
Номер группы |
Высшая степень окисления |
| Кислород | VI | +2 (в OF2) |
| Фтор | VII | 0 |
| Медь | I | +2 |
| Железо | VIII | +6 (например K2FeO4) |
6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:
низшая степень окисления неметалла = №группы − 8
Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.
Нахождение степеней окисления элементов в различных соединениях
Пример 1
Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.
Решение:
Запишем формулу серной кислоты:
Степень окисления водорода во всех сложных веществах +1 (кроме гидридов металлов).
Степень окисления кислорода во всех сложных веществах равна -2 (кроме пероксидов и фторида кислорода OF2). Расставим известные степени окисления:
Обозначим степень окисления серы как x:
Молекула серной кислоты, как и молекула любого вещества, в целом электронейтральна, т.к. сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю. Схематически это можно изобразить следующим образом:
Т.е. мы получили следующее уравнение:
Решим его:
Таким образом, степень окисления серы в серной кислоте равна +6.
Пример 2
Определите степень окисления всех элементов в дихромате аммония.
Решение:
Запишем формулу дихромата аммония:
Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:
Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).
Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH4+ (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости). Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH4+ , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH4+ и анионами Cr2O72-.
Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:
Т.е. мы получаем два независимых уравнения:
Решая которые, находим x и y:
Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода +1, хрома +6, а кислорода -2.
Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать здесь.
Валентность
Валентность — число химических связей, которые образует атом элемента в химическом соединении.
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.
Валентные возможности атома зависят от количества:
1) неспаренных электронов 
2) неподеленных электронных пар на орбиталях валентных уровней 
3) пустых электронных орбиталей валентного уровня 
Валентные возможности атома водорода
Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:
Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон. Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.
Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.
Валентные возможности атома углерода
Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:
Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:
Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.
Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных ( ) орбиталей валентного уровня. Наличие таких орбиталей на заполняемом уровне приводит к тому, что атом может выполнять роль акцептора электронной пары, т.е. образовывать дополнительные ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. Так, например, вопреки ожиданиям, в молекуле угарного газа CO связь не двойная, а тройная, что наглядно показано на следующей иллюстрации:
Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:
1) Для углерода возможны валентности II, III, IV
2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV
3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму
Валентные возможности атома азота
Запишем электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома азота:
Как видно из иллюстрации выше, атом азота в своем обычном состоянии имеет 3 неспаренных электрона, в связи с чем логично предположить о его способности проявлять валентность, равную III. Действительно, валентность, равная трём, наблюдается в молекулах аммиака (NH3), азотистой кислоты (HNO2), треххлористого азота (NCl3) и т.д.
Выше было сказано, что валентность атома химического элемента зависит не только от количества неспаренных электронов, но также и от наличия неподеленных электронных пар. Связано это с тем, что ковалентная химическая связь может образоваться не только, когда два атома предоставляют друг другу по одному электрону, но также и тогда, когда один атом, имеющий неподеленную пару электронов — донор( ) предоставляет ее другому атому с вакантной ( ) орбиталью валентного уровня (акцептору). Т.е. для атома азота возможна также валентность IV за счет дополнительной ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному механизму. Так, например, четыре ковалентных связи, одна из которых образована по донорно-акцепторному механизму, наблюдается при образовании катиона аммония:
Несмотря на то что одна из ковалентных связей образуется по донорно-акцепторному механизму, все связи N-H в катионе аммония абсолютно идентичны и ничем друг от друга не отличаются.
Валентность, равную V, атом азота проявлять не способен. Связано это с тем, что для атома азота невозможен переход в возбужденное состояние, при котором происходит распаривание двух электронов с переходом одного из них на свободную орбиталь, наиболее близкую по уровню энергии. Атом азота не имеет d-подуровня, а переход на 3s-орбиталь энергетически настолько затратен, что затраты энергии не покрываются образованием новых связей. Многие могут задаться вопросом, а какая же тогда валентность у азота, например, в молекулах азотной кислоты HNO3 или оксида азота N2O5? Как ни странно, валентность там тоже IV, что видно из нижеследующих структурных формул:
Пунктирной линией на иллюстрации изображена так называемая делокализованная π-связь. По этой причине концевые связи NO можно назвать «полуторными». Аналогичные полуторные связи имеются также в молекуле озона O3, бензола C6H6 и т.д.
em>Резюмируя информацию по валентным возможностям атома азота:
1) Для азота возможны валентности I, II, III и IV
2) Валентности V у азота не бывает!
3) В молекулах азотной кислоты и оксида азота N2O5 азот имеет валентность IV, а степень окисления +5 (!).
4) В соединениях, в которых атом азота четырехвалентен, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму (соли аммония NH4+, азотная кислота и д.р).
Валентные возможности фосфора
Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:
Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.
Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d-подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.
В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s-орбитали:
Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.
Валентные возможности атома кислорода
Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:
Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).
Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d-подуровня, распаривание электронов s и p-орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.
Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.
Валентные возможности атома серы
Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:
У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H2S.
Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d-подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p-подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:
В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO2, SF4, SOCl2 и т.д.
При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s-подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:
В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO3, H2SO4, SO2Cl2 и т.д.
Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.
Различные химические элементы отличаются по своей способности создавать химические связи, то есть соединяться с другими атомами. Поэтому в сложных веществах они могут находиться только в определенных соотношениях. Разберемся, как определить валентность по таблице Менделеева.
Что такое валентность?
Существует такое определение валентности: это способность атома к образованию определенного числа химических связей. В отличие от степени окисления, эта величина всегда только положительная и обозначается римскими цифрами.
В качестве единицы используется эта характеристика для водорода, которая принята равной I. Это свойство показывает, с каким числом одновалентных атомов может соединиться данный элемент. Для кислорода эта величина всегда равна II.
Знать эту характеристику необходимо, чтобы верно записывать химические формулы веществ и уравнения реакций. Знание этой величины поможет установить соотношение между числом атомов различных типов в молекуле.
Данное понятие возникло в химии в XIX веке. Начало теории, объясняющей соединение атомов в различных соотношениях, положил Франкленд, но его идеи о «связывающей силе» не были очень распространены. Решающая роль в развитии теории принадлежала Кекуле. Он называл свойство образовывать некоторое количество связей основностью. Кекуле считал, что это фундаментальное и неизменное свойство каждого вида атомов. Важные дополнения к теории сделал Бутлеров. С развитием этой теории стало возможным наглядно изображать молекулы. Это очень помогло в изучении строения различных веществ.
Чем поможет периодическая таблица?
Находить валентность можно, посмотрев на номер группы в короткопериодном варианте. Для большинства элементов, у которых эта характеристика постоянная (принимает только одно значение), она совпадает с номером группы.
Такие свойства имеют металлы главных подгрупп. Почему? Номер группы соответствует числу электронов на внешней оболочке. Эти электроны называются валентными. Именно они отвечают за возможность соединяться с другими атомами.
Группу составляют элементы с похожим устройством электронной оболочки, а сверху вниз возрастает заряд ядра. В короткопериодной форме каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Представители главных подгрупп — это s и p-элементы, представители побочных подгрупп имеют электроны на d и f-орбиталях.
Как определить валентность химических элементов, если она меняется? Она может совпадать с номером группы или равняться номеру группы минус восемь, а также принимать другие значения.
Важно! Чем выше и правее элемент, тем его свойство образовывать взаимосвязи меньше. Чем он более смещен вниз и влево, тем она больше.
То, как изменяется валентность в таблице Менделеева для конкретного вида атома, зависит от структуры его электронной оболочки. Сера, например, может быть двух-, четырех- и шестивалентной.
В основном (невозбужденном) состоянии у серы два неспаренных электрона находятся на подуровне 3р. В таком состоянии она может соединиться с двумя атомами водорода и образовать сероводород. Если сера перейдет в более возбужденное состояние, то один электрон перейдет на свободный 3d-подуровень, и неспаренных электронов станет 4.
Сера станет четырехвалентной. Если сообщить ей еще больше энергии, то еще один электрон перейдет с подуровня 3s на 3d. Сера перейдет в еще более возбужденное состояние и станет шестивалентной.
Постоянная и переменная
Иногда способность к образованию химических связей может меняться. Она зависит от того, в какое соединение входит элемент. Например, сера в составе H2S двухвалентна, в составе SO2 четырехвалентна, а в SO3 — шестивалентна. Наибольшее из этих значений называется высшим, а наименьшая — низшим. Высшую и низшую валентности по таблице Менделеева можно установить так: высшая совпадает с номером группы, а низшая равняется 8 минус номер группы.
Как определить валентность химических элементов и то, изменяется ли она? Нужно установить, имеем мы дело с металлом или неметаллом. Если это металл, нужно установить, относится он к главной или побочной подгруппе.
- У металлов главных подгрупп способность к образованию химических взаимосвязей постоянная.
- У металлов побочных подгрупп — переменная.
- У неметаллов — также переменная. В большинстве случаев она принимает два значения — высшее и низшее, но иногда может быть и большее число вариантов. Примеры — сера, хлор, бром, йод, хром и другие.
Это интересно! Что такое алканы: строение и химические свойства
В соединениях низшую валентность проявляет тот элемент, который находится выше и правее в периодической таблице, соответственно, высшую — тот, который левее и ниже.
Часто способность образовывать химические связи принимает больше двух значений. Тогда по таблице узнать их не получится, а нужно будет выучить. Примеры таких веществ:
- углерод,
- сера,
- хлор,
- бром.
Как определить валентность элемента в формуле соединения? Если она известна для других составляющих вещества, это несложно. Например, требуется рассчитать это свойство для хлора в NaCl. Натрий — элемент главной подгруппы первой группы, поэтому он одновалентен. Следовательно, хлор в этом веществе тоже может создать только одну связь и тоже одновалентен.
Важно! Однако так не всегда можно узнать это свойство для всех атомов в сложном веществе. Для примера возьмем HClO4. Зная свойства водорода, можно только установить, что ClO4 — одновалентный остаток.
Как еще узнать эту величину?
Способность образовывать определенное количество связей не всегда совпадает с номером группы, и в некоторых случаях ее придется просто заучить. Здесь на помощь придет таблица валентности химических элементов, где приведены значения этой величины. В учебнике химии за 8 класс приведены значения способности соединяться с другими атомами наиболее распространенных видов атомов.
| Н, F, Li, Na, K | 1 |
| O, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn | 2 |
| B, Al | 3 |
| C, Si | 4 |
| Cu | 1, 2 |
| Fe | 2, 3 |
| Cr | 2, 3, 6 |
| S | 2, 4, 6 |
| N | 3, 4 |
| P | 3, 5 |
| Sn, Pb | 2, 4 |
| Cl, Br, I | 1, 3, 5, 7 |
Применение
Стоит сказать, что ученые-химики в настоящее время понятие валентности по таблице Менделеева почти не используют. Вместо него для способности вещества образовывать определенное число взаимосвязей применяют понятие степени окисления, для веществ с ковалентной структурой — ковалентность, а для веществ ионного строения — заряд иона.
Однако рассматриваемое понятие применяют в методических целях. С его помощью легко объяснить, почему атомы разных видов соединяются в тех соотношениях, которые мы наблюдаем, и почему эти соотношения для разных соединений различны. Подарки от онлайн казино можно взять на этой странице — https://www.casinobonus-ruu.com и активировать их после регистрации.
На данный момент подход, согласно которому соединение элементов в новые вещества всегда объяснялось с помощью валентности по таблице Менделеева независимо от типа связи в соединении, устарел. Сейчас мы знаем, что для ионной, ковалентной, металлической связей существуют разные механизмы объединения атомов в молекулы.
Полезное видео
Подведем итоги
По таблице Менделеева определить способность к образованию химических связей возможно не для всех элементов. Для тех, которые проявляют одну валентность по таблице Менделеева, она в большинстве случаев равна номеру группы. Если есть два варианта этой величины, то она может быть равна номеру группы или восемь минус номер группы. Существуют также специальные таблицы, по которым можно узнать эту характеристику.
