Валентность сложных соединений. Валентность. Определение валентности. Элементы с постоянной валентностью

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

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.

Исходя из того, что все элементы расположены в восьми группах Периодической Системы, валентность может принимать значения от I до VIII.

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

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 систематизировал А. М. Бутлеров (1861). Дальнейшее развитие теория химической связи получила благодаря учению о периодическом изменении свойств элементов. Его автор — другой выдающийся Д. И. Менделеев. Он доказал, что валентность химических элементов в соединениях и другие свойства обусловлены тем положением, которое они занимают в периодической системе.

Графическое изображение валентности и химической связи

Возможность наглядного изображения молекул — одно из несомненных достоинств теории валентности. Первые модели появились в 1860-х, а с 1864 года используются представляющие собой окружности с химическим знаком внутри. Между символами атомов черточкой обозначается 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 Так называются отрицательно заряженные мельчайшие частицы, которые входят в состав оболочек атомов. В своей книге Льюис применил точки вокруг четырех сторон для отображения валентных электронов.

Валентность по водороду и кислороду

До создания 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):
• H 2 O — кислород (II);
• NH 3 — азот (III);
• CH 4 — углерод (IV).

В оксидах K 2 O, CO, N 2 O 3 , SiO 2 , SO 3 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 Mn 2 O 7 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. в его высшем оксиде — VII.

Постоянная и переменная валентность

Значения валентности по водороду и кислороду различаются. Например, сера в соединении H 2 S двухвалентна, а в формуле SO 3 - шестивалентна. Углерод образует с кислородом монооксид CO и диоксид CO 2 . В первом соединении валентность C равна II, а во втором — IV. Такое же значение в метане CH 4 .

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 H 2 S 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.

Рассматривая формулы различных соединений, нетрудно заметить, что число атомов одного и того же элемента в молекулах различных веществ не одинаково. Например, HCl, NH 4 Cl, H 2 S, H 3 PO 4 и т.д. Число атомов водорода в этих соединениях изменяется от 1 до 4. Это характерно не только для водорода.

Как же угадать, какой индекс поставить рядом с обозначением химического элемента? Как составляются формулы вещества? Это легко сделать, когда знаешь валентность элементов, входящих в состав молекулы данного вещества.

– это свойство атома данного элемента присоединять, удерживать или замещать в химических реакциях определённое количество атомов другого элемента. За единицу валентности принята валентность атома водорода. Поэтому иногда определение валентности формулируют так: валентность – это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое количество атомов водорода.

Если к одному атому данного элемента прикрепляется один атом водорода, то элемент одновалентен, если два – двухвалентен и т.д. Водородные соединения известны не для всех элементов, но почти все элементы образуют соединения с кислородом О. Кислород считается постоянно двухвалентным.

Постоянная валентность:

I – H, Na, Li, K, Rb, Cs
II – O, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd
III – B, Al, Ga, In

Но как поступить в том случае, если элемент не соединяется с водородом? Тогда валентность необходимого элемента определяют по валентности известного элемента. Чаще всего её находят, используя валентность кислорода, потому что в соединениях его валентность всегда равно 2. Например, не составит труда найти валентность элементов в следующих соединениях: Na 2 O (валентность Na – 1, O – 2), Al 2 O 3 (валентность Al – 3, O – 2).

Химическую формулу данного вещества можно составить, только зная валентность элементов. Например, составить формулы таких соединений, как CaO, BaO, CO, просто, потому что число атомов в молекулах одинаково, так как валентности элементов равны.

А если валентности разные? Когда мы действуем в таком случае? Необходимо запомнить следующее правило: в формуле любого химического соединения произведение валентности одного элемента на число его атомов в молекуле равно произведению валентности на число атомов другого элемента. Например, если известно, что валентность Mn в соединении равна 7, а O – 2, тогда формула соединения будет выглядеть так Mn 2 O 7.

Как же мы получили формулу?

Рассмотрим алгоритм составления формул по валентности для состоящих из двух химических элементов.

Существует правило, что число валентностей у одного химического элемента равно числу валентностей у другого . Рассмотрим на примере образования молекулы, состоящей из марганца и кислорода.
Будем составлять в соответствии с алгоритмом:

1. Записываем рядом символы химических элементов:

2. Ставим над химическими элементами цифрами их валентности (валентность химического элемента можно найти в таблице периодической системы Менделева, у марганца – 7, у кислорода – 2.

3. Находим наименьшее общее кратное (наименьшее число, которое делится без остатка на 7 и на 2). Это число 14. Делим его на валентности элементов 14: 7 = 2, 14: 2 = 7, 2 и 7 будут индексами, соответственно у фосфора и кислорода. Подставляем индексы.

Зная валентность одного химического элемента, следуя правилу: валентность одного элемента × число его атомов в молекуле = валентность другого элемента × число атомов этого (другого) элемента, можно определить валентность другого.

Mn 2 O 7 (7 · 2 = 2 · 7).

Понятие о валентности было введено в химию до того, как стало известно строение атома. Сейчас установлено, что это свойство элемента связано с числом внешних электронов. Для многих элементов максимальная валентность вытекает из положения этих элементов в периодической системе.

Остались вопросы? Хотите знать больше о валентности?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Под валентностью подразумевается свойство атома данного элемента присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента.

Мерой валентности поэтому может быть число химических связей, образуемых данным атомом с другими атомами. Таким образом, в настоящее время под валентностью химического элемента обычно понимается его способность (в более узком смысле - мера его способности) к образованию химических связей (рис. 1). В представлении метода валентных связей числовое значение валентности соответствует числу ковалентных связей, которые образует атом.

Рис. 1. Схематическое образование молекул воды и аммиака.

Таблица валентности химических элементов

Первоначально за единицу валентности принимали валентность водорода. Валентность другого элемента при этом выражали числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом этого элемента (т.н. валентность по водороду). Например, в соединениях состава HCl, H 2 O, NH 3 , CH 4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода - двум, азота - трем, углерода - четырем.

Потом было решено, что определить валентность искомого элемента можно и по кислороду, валентность которого, как правило, равна двум. В этом случае валентность химического элемента рассчитывается как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединить один атом данного элемента (т.н. валентность по кислороду). Например, в соединениях составаN 2 O, CO, SiO 2 , SO 3 валентность по кислороду азота равна единице, углерода - двум, кремния - четырем, серы - шести.

На деле оказалось, что у большинства химических элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H 2 S), а по кислороду - шести (SO 3). Кроме того, большинство элементов проявляют в своих соединениях различную валентность. Например, углерод образует два оксида: монооксид CO и диоксид CO 2 . В первом из которых валентность углерода равна II, а во втором - четырем. Откуда следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом, как правило, нельзя.

Высшая и низшая валентности химических элементов

Значения высшей и низшей валентностей химического элемента можно определить при помощи Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Высшая валентность элемента совпадает с номером группы, в которой он расположен, а низшая представляет собой разность между числом 8 и номером группы. Например, бром расположен в VIIA группе, значит его высшая валентность равна VII, а низшая - I.

Существуют элементы с т.н. постоянной валентностью (металлы IA и IIA групп, алюминий водород, фтор, кислород), которые в своих соединениях проявляют единственную степень окисления, которая чаще всего совпадает с номером группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева, где они расположены).

Элементы, для которых характерны несколько значений валентности (причем не всегда это высшая и низшая валентность) называются переменновалентными. Например, для серы характерны валентности II, IV и VI.

Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие валентности характерны для конкретного химического элемента используют таблицы валентности химических элементов, которые выглядят следующим образом:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Есть элементы, валентность которых всегда постоянна, и их совсем немного. Но все остальные элементы проявляют переменную валентность.

Больше уроков на сайте

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. Вал 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. Вал 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 вал 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, вал равна номеру группы.

6. У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая.

Образно говоря, вал — это число «рук», которыми атом цепляется за другие атомы. Естественно, никаких «рук» у атомов нет; их роль играют т. н. валентные электроны.

Можно сказать иначе: — это способность атома данного элемента присоединять определенное число других атомов.

Необходимо четко усвоить следующие принципы:

Существуют элементы с постоянной валентностью (их относительно немного) и элементы с переменной валентностью (коих большинство).

Элементы с постоянной валентностью необходимо запомнить.