Валентность элементов До сих пор вы пользовались химическими формулами веществ, приведенными в учебнике, или теми, которые вам называл учитель. Как же правильно составлять химические формулы? Химические формулы веществ составляются на основе знания качественного и количественного состава вещества. Веществ существует гигантское количество, естественно запомнить все формулы невозможно. Это и не нужно! Важно знать определенную закономерность, согласно которой атомы способны соединяться друг с другом с образованием новых химических соединений. Такая способность называется валентностью. Валентность – свойство атомов элементов присоединять определенное число атомов других элементов Рассмотрим модели молекул некоторых веществ, таких, как вода, метан и углекислый газ. Видно, что в молекуле воды атом кислорода присоединяет два атома водорода. Следовательно, его валентность равна двум. В молекуле метана атом углерода присоединяет четыре атома водорода, его валентность в данном веществе равна четырем. Валентность водорода в обоих случаях равна одному. Такую же валентность углерод проявляет и в углекислом газе, но в отличие от метана, атом углерода присоединяет два атома кислорода, так как валентность кислорода равна двум. Существуют элементы, валентность которых не меняется в соединениях. О таких элементах говорят, что они обладают постоянной валентностью. Если же валентность элемента может быть различной – это элементы с переменной валентностью. Валентность некоторых химических элементов приведена в таблице 2. Валентность принято обозначать римскими числами. Таблица 2. Валентность некоторых химических элементов
| Символ элемента | Валентность | Символ элемента | Валентность |
| H, Li, Na, K, F, Ag | I | C, Si, Sn, Pb | II, IV |
| Be, Mg, Ca, Ba, Zn, O | II | N | I, II, III, IV |
| Al, B | III | P, As, Sb | III, V |
| S | II, IV, VI | Cl | I, II,III, IV,V, VII |
| Br, I | I, III, V | Ti | II, III, IV |
Стоит отметить, что высшая валентность элемента численно совпадает с порядковым номером группы Периодической Системы, в которой он находится. Например, углерод находиться в IV группе, его высшая валентность равна IV. Исключение составляют три элемента:
- азот – находится в V группе, но его высшая валентность IV;
- кислород – находится в VI группе, но его высшая валентность II;
- фтор – находится в VII группе, но его высшая валентность – I.
Составление формул веществ при помощи валентности
Для составления формул веществ при помощи валентности воспользуемся определенным алгоритмом:Определение валентности по формуле вещества
Чтобы определить валентность элементов по формуле вещества, необходим обратный порядок действий. Рассмотрим его также при помощи алгоритма:При изучении данного параграфа были рассмотрены сложные вещества, в состав которых входят только два вида атомов химических элементов. Формулы более сложных веществ составляются иначе.
Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов элементов
Для определения порядка последовательности соединения атомов используют структурные (графические) формулы веществ. В таких формулах валентности элементов обозначают валентными штрихами (черточками). Например, молекулу воды можно изобразить как
Н─О─Н
Графическая формула изображает только порядок соединения атомов, но не структуру молекул. В пространстве такие молекулы могут выглядеть иначе. Так, молекула воды имеет угловую структурную формулу:
- Валентность – способность атомов элементов присоединять определенное число атомов других химических элементов
- Существуют элементы с постоянной и переменной валентностью
- Высшая валентность химического элемента совпадает с его номером группы в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Исключения: азот, кислород, фтор
- Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов химических элементов
- Графические формулы отражают порядок связей атомов в молекуле при помощи валентных штрихов
- Структурная формула отражает реальную форму молекулы в пространстве
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:
Случай второй:
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.
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.
Следует отметить, что термин «валентность» чаще использую в органической химии. При составлении формул неорганических соединений чаще используют понятие «степень окисления».
Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.
С одним атомом одновалентного элемента соединяется один атом другого одновалентного элемента (HСl ). С атомом двухвалентного элемента соединяются два атома одновалентного (H 2 O) или один атом двухвалентного (CaO). Значит, 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)
Правила
определения валентности
элементов в соединениях
1. Валентность водорода принимают за I (единицу). Тогда в соответствии с формулой воды Н 2 О к одному атому кислорода присоединено два атома водорода.
2. Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II . Поэтому углерод в соединении СО 2 (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 - N группы .
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.
Алгоритм составления формулы соединения оксида фосфора
|
Последовательность действий |
Составление формулы оксида фосфора |
|
1. Написать символы элементов |
Р О |
|
2. Определить валентности элементов |
V II
|
|
3. Найти наименьшее общее кратное численных значений валентностей |
5 2 = 10 |
|
4. Найти соотношения между атомами элементов путем деления найденного наименьшего кратного на соответствующие валентности элементов |
10: 5 = 2, 10: 2 = 5; P: О = 2: 5 |
|
5. Записать индексы при символах элементов |
Р 2 О 5 |
|
6. Формула соединения (оксида) |
Р 2 О 5 |
Запомните!
Особенности составления химических формул соединений.
1) Низшую валентность проявляет тот элемент, который находится в таблице Д.И.Менделеева правее и выше, а высшую валентность – элемент, расположенный левее и ниже.
Например, в соединении с кислородом сера проявляет высшую валентность VI, а кислород – низшую II. Таким образом, формула оксида серы будет SO 3.
В соединении кремния с углеродом первый
проявляет высшую валентность IV, а второй – низшую IV. Значит, формула
– SiC. Это карбид кремния, основа огнеупорных и абразивных материалов.
2) Атом металла стоит в формуле на первом месте.
2) В формулах соединений атом неметалла, проявляющий низшую валентность, всегда стоит на втором месте, а название такого соединения оканчивается на «ид».
Например, СаО – оксид кальция, NaCl – хлорид натрия, PbS – сульфид свинца.
Теперь вы сами можете написать формулы любых соединений металлов с неметаллами.
Понятие валентность происходит от латинского слова «valentia» и было известно еще в середине XIX века. Первое «пространное» упоминание валентности было еще в работах Дж. Дальтона, который утверждал, что все вещества состоят из атомов, соединенных между собой в определенных пропорциях. Затем, Франкланд ввел само понятие валентности, которое нашло дальнейшее развитие в трудах Кекуле, который говорил о взаимосвязи валентности и химической связи, А.М. Бутлерова, который в своей теории строения органических соединений связывал валентность с реакционной способностью того или иного химического соединения и Д.И. Менделеева (в Периодической системе химических элементов высшая валентность элемента определяется номером группы).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Валентность – это количество ковалентных связей, которое способен образовывать атом в соединении с ковалентной связью.
Валентность элемента определяется числом неспаренных электронов атоме, поскольку они принимают участие в образовании химической связи между атомами в молекулах соединений.
Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризуется электронной конфигурацией атома, которая соответствует положению элемента в Периодической системе. Возбужденное состояние – это новое энергетическое состояние атома, с новым распределением электронов в пределах валентного уровня.
Электронные конфигурации электронов в атоме можно изобразить не только в виде электронных формул, но и с помощью электронно-графических формул (энергетических, квантовых ячеек). Каждая ячейка обозначает орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки (вверх или вниз) показывает спин электрона, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Если в ячейке 2 электрона, такие электроны называются спаренными, если электрон 1 – неспаренный. Например:
6 C 1s 2 2s 2 2p 2
Орбитали заполняют следующим образом: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2p подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух электронов занял по одной орбитали. Одна орбиталь осталась свободной.
Определение валентности элемента по электронно-графическим формулам
Валентность элемента можно определить по электронно-графическим формулам электронных конфигураций электронов в атоме. Рассмотрим два атома – азота и фосфора.
7 N 1s 2 2s 2 2p 3
Т.к. валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, следовательно, валентность азота равна III. Поскольку у атома азота нет свободных орбиталей, для этого элемента невозможно возбужденное состояние. Однако III, не максимальная валентность азота, максимальная валентность азота V и определяется номером группы. Поэтому, следует запомнить, что с помощью электронно-графических формул не всегда можно определить высшую валентность, а также все валентности, характерные для этого элемента.
15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3
В основном состоянии атом фосфора имеет 3 неспаренных электрона, следовательно, валентность фосфора равна III. Однако, в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали, поэтому электроны, находящиеся на 2s – подуровне способны распариваться и занимать вакантные орбитали d-подуровня, т.е. переходить в возбужденное состояние.
Теперь атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, следовательно для фосфора характерна и валентность, равная V.
Элементы, имеющие несколько значений валентности
Элементы IVA – VIIA групп могут иметь несколько значений валентности, причем, как правило, валентность изменяется ступенчато на 2 единицы. Такое явление обусловлено тем, что в образовании химической связи электроны участвуют попарно.
В отличие от элементов главных подгрупп, элементы В-подгрупп, в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы, например, медь и золото. В целом, переходные элементы проявляют большое разнообразие химических свойств, которое объясняется большим набором валентностей.
Рассмотрим электронно-графические формулы элементов и установим, в связи с чем элементы имеют разные валентности (рис.1).
Задания: определите валентные возможности атомов As и Cl в основном и возбужденном состояниях.
Валентностью называется способность атомов одних химических элементов присоединять к себе точное число атомов других элементов или атомные группы. Благодаря этому понятию мы можем узнать, сколько атомов каждого элемента входят в состав молекулы, а также составить ее графическую формулу. Поэтому для успешного написания формул, уравнений реакций, а также для правильного решения задач важно хорошо знать, как определить валентность элемента.
Химические элементы могут иметь постоянную или переменную валентность. Необходимо выучить наизусть все элементы с постоянной валентностью. Вот их список:
- Водород, галогены и щелочные металлы всегда одновалентны.
- Валентность, равную двум, всегда проявляют кислород и щелочноземельные металлы.
- Всегда трехвалентны B и Al.
Как определить валентность по таблице Менделеева
Если вы по каким-либо причинам, ну например, разволновавшись на экзамене, забыли этот список, можно определить валентность по таблице Менделеева. Для этого нужно выяснить, в какой группе стоит интересующий нас химический элемент, т.е. узнать номер группы, а также определить, находится он в основной или в побочной группе. Высшая валентность всегда равна номеру группы.
Для определения низшей переменной валентности, которой чаще всего обладают неметаллы, необходимо из 8 вычесть номер группы. Полученный результат и будет искомой величиной.
Чтобы стало более понятно, как определить валентность по таблице Менделеева, приведем несколько примеров:
- Все щелочные металлы входят в главную подгруппу первой группы и имеют постоянную валентность – I.
- Для щелочноземельных металлов (главная подгруппа второй группы) валентность соответственно будет равна II.
- Большинство неметаллов имеют переменную валентность. Высшая степень их валентности равна номеру группы, а низшая определяется, как уже писалось выше. Возьмем к примеру серу. Т.к. этот элемент расположен в 6 группе – его высшая валентность равна VI, а низшая – II (8 – 6 = 2).
- В отличие от всех остальных неметаллов галогены, входящие в основную подгруппу восьмой группы, обладают постоянной валентностью равной I.
- Для остальных элементов, входящих в побочные группы, валентность придется запоминать. Чаще всего эти элементы представлены металлами, имеющими валентность от I до III.