Одновалентные вещества. Что такое валентность: как определять и как использовать

Часто люди слышат слово «валентность», не до конца понимая, что это такое. Так что такое валентность? Валентность - один из терминов, которые употребляются в химическом строении. Валентность, по сути, определяет возможность атома образовывать химические связи. Количественно валентность - это число связей, в которых участвует атом.

Что такое валентность элемента

Валентность - это показатель способности атома присоединить другие атомы, образовав с ними, внутри молекулы, химические связи. Число связей атома равно числу его неспаренных электронов. Эти связи называют ковалентными.

Неспаренный электрон - это свободный электрон на внешней оболочке атома, который соединяется в пары с внешним электроном иного атома. Каждая пара таких электронов называется «электронной», а каждый из электронов - валентным. Так определение слова «валентность» - это количество электронных пар, с помощью которых один атом связан с другим атомом.

Валентность схематично можно изобразить в структурных химических формулах. Когда это не нужно, используют простые формулы, где валентность не указана.

Максимальная валентность химических элементов из одной группы периодической системы Менделеева равна порядковому номеру этой группы. Атомы одного и того же элемента могут иметь разную валентность в разных химических соединениях. Полярность ковалентных связей, которые образуются, при этом не учитывается. Вот почему валентность не имеет знака. Также валентность не может быть отрицательной величиной и равняться нулю.

Иногда понятие «валентность» приравнивают к понятию «степень окисления», но это не так, хотя иногда эти показатели действительно совпадают. Степень окисления - это формальный термин, который обозначает возможный заряд, который бы атом получил, если его электронные пары перешли бы к более электрически отрицательным атомам. Тут степень окисления может иметь какой то знак и выражена в единицах заряда. Этот термин распространен в неорганической химии, ведь в неорганических соединениях тяжело судить о валентности. И, наоборот, в органической химии используют валентность, потому что молекулярное строение имеет большая часть органических соединений.

Теперь Вы знаете, что такое валентность химических 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.

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

    Для того чтобы определить валентность того или иного вещества, вам нужно взглянуть на периодическую таблицу химических элементов Менделеева, обозначения римскими цифрами будут являться валентностями тех или иных веществ в этой таблице. К примеру, НО, водород (Н) будет всегда одновалентным а, а кислород (О) всегда двухвалентным. Вот ниже некая шпаргалка, которая как я полагаю поможет вам)

    В первую очередь стоит отметить, что химические элементы могут иметь как постоянную, так и переменную валентность. Что касается постоянной валентности, то такие элементы вам просто напросто необходимо заучить

    Одновалентными считаются щелочные металлы, водород, а также галогены;

    А вот трхвалентен бор и алюминий.

    Итак, теперь давайте пройдмся по таблице Менделеева для определения валентности. Самая высокая валентность для элемента всегда приравнивается к его номеру группы

    Низшая валентность же узнатся путм вычитания из 8 номера группы. Низшей валентностью наделены неметаллы в большей степени.

    Химические элементы могут быть постоянной или переменной валентности. Элементы с постоянной валентностью необходимо выучить. Всегда

    • одновалентны водород, галогены, щелочные металлы
    • двухвалентны кислород, щелочноземельные металлы.
    • трехвалентны алюминий (Al) и бор (B).

    Валентность можно определить по таблице Менделеева . Высшая валентность элемента всегда равна номеру группы, в которой он находится.

    Низшей переменной валентностью чаще всего обладают неметаллы. Чтобы узнать низшую валентность, из 8 вычитают номер группы - в результате будет искомая величина. Например, сера находится в 6 группе и е высшая валентность - VI, низшая валентность будет II (86=2).

    Согласно школьному определению валентность это способность химического элемента образовывать то или иное количество химических связей с другими атомами.

    Как известно, валентность бывает постоянной (когда химический элемент образует всегда одно и то же количество связей с другими атомами) и переменной (когда в зависимости от того или иного вещества валентность одного и того же элемента изменяется).

    Определить валентность нам поможет периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

    Действуют такие правила:

    1) Максимальная валентность химического элемента равняется номеру группы. Например, хлор находится в 7-й группе, а значит, у него максимальная валентность равна 7. Сера: она в 6-й группе, значит, у не максимальная валентность равна 6.

    2) Минимальная валентность для неметаллов равна 8 минус номер группы. Например, минимальная валентность того же хлора равна 8 7, то есть 1.

    Увы, из обоих правил имеются исключения.

    Например, медь находится в 1-й группе, однако максимальная валентность меди равна не 1, а 2.

    Кислород находится в 6-й группе, но у него валентность почти всегда 2, а вовсе не 6.

    Полезно помнить ещ следующие правила:

    3) Все щелочные металлы (металлы I группы, главной подгруппы) всегда имеют валентность 1 . Например, валентность натрия всегда равна 1, потому что это щелочной металл.

    4) Все щлочно-земельные металлы (металлы II группы, главной подгруппы) всегда имеют валентность 2 . Например, валентность магния всегда равна 2, потому что это щлочно-земельный металл.

    5) Алюминий всегда имеет валентность 3.

    6) Водород всегда имеет валентность 1.

    7) Кислород практически всегда имеет валентность 2.

    8) Углерод практически всегда имеет валентность 4.

    Следует помнить, что в разных источниках определения валентности могут отличаться.

    Более или менее точно валентность можно определить как количество общих электронных пар, посредством которых данный атом связан с другими .

    Согласно такому определению, валентность азота в HNO3 равна 4, а не 5. Пятивалентным азот быть не может, потому что в таком случае вокруг атома азота кружилось бы 10 электронов. А такого не может быть, потому что максимум электронов составляет 8.

    Валентность любого химического элемента - это его свойство, а точнее свойство его атомов (атомов этого элемента) удерживать какое - то количество атомов, но уже другого хим - ого элемента.

    Существуют Хим - ие элементы как с постоянной, так и с переменной валентностью, которая меняется в зависимости от того в соединение с каким элементом он (данный элемент) находится или же вступает.

    Валентности некоторых химических элементов:

    Перейдем теперь к тому, как же определяется валентность элемента по таблице.

    Итак, валентность можно определить по таблице Менделеева :

    • высшая валентность соответстует (равна) номеру группы;
    • низшая же валентность определяется формулой: номер группы - 8.

    Из школьного курса по химии мы знаем, что все химические элементы могут быть с постоянной или же переменной валентностью. Элементы у которых постоянная валентность нужно просто запомнить (например водород, кислород, щелочные металлы и другие элементы). Валентность легко определить по таблице Менделеева, которая есть в любом учебнике по химии. Высшая валентность соответствует своему номеру группы, в которой она расположена.

    Валентность какого-либо элемента можно определить по самой таблице Менделеева, по номеру группы.

    По крайней мере, так можно поступать в случае с металлами, ведь их валентность равна номеру группы.

    С неметаллами немного другая история: их высшая валентность (в соединениях с кислородом) также равна номеру группы, а вот низшую валентность (в соединениях с водородом и металлами) нужно определять по следующей формуле: 8 - номер группы.

    Чем больше работаешь с химическими элементами, тем лучше запоминаешь и их валентность. А для начала хватит и такой шпаргалки:

    Розовым цветом выделены те элементы, чья валентность непостоянна.

    Валетность- это способность атомов одних химических элементов присоединить к себе атомы других элементов. Для успешного написания формул, правильного решения задач необходимо хорошо знать, как определить валентность. Для начала нужно выучить все элементы с постоянной валентностью. Вот они: 1. Водород, галогены, щелочные металлы(всегда одновалентны) ; 2. Кислород и щелочноземельные металлы (двухвалентны) ; 3. B и Al (трехвалентны) . Чтобы определить валентность по таблице Менделеева , нужно выяснить в какой группе стоит химический элемент и определить, находится он в основной группе или побочной.

    Элемент может иметь одну или несколько валентностей.

    Максимальная валентность элементов равна числу валентных электронов. Мы можем определить валентность, зная расположение элемента в периодической таблице. Максимальное число валентности равно номеру группы, в которой находится необходимый элемент.

    Валентность обозначается римской цифрой и, как правило, пишется в правом верхнем углу символа элемента.

    Некоторые элементы могут иметь разную валентность в разных соединениях.

    Например, сера имеет следующие валентности:

    • II в соединении H2S
    • IV в соединении SO2
    • VI в соединении SO3

    Правила определения валентности не как просты в использовании, поэтомуих нужно запомнить.

    Определять валентность по таблице Менделеева просто. Как правило она соответствует номеру группы в которой элемент расположен. Но есть элементы, которые в разных соединениях могут иметь разную валентность. В этом случае речь идет о постоянной и переменной валентности. Переменная может быть максимальной, равной номеру группы, а может быть минимальной или промежуточной.

    Но гораздо интереснее определять валентность в соединениях. Для этого существует ряд правил. Прежде всего легко определить валентность элементов если один элемент в соединении обладает постоянной валентностью, например это кислород или водород. Слева ставится восстановитель, то есть элемент с положительной валентностью, справа - окислитель, то есть элемент с отрицательной валентностью. Индекс элемента с постоянной валентностью умножается на эту валентность и делится на индекс элемента с неизвестной валентностью.

    Пример: оксиды кремния. Валентность кислорода -2. Найдем валентность кремния.

    SiO 1*2/1=2 Валентность кремния в моноксиде равна +2.

    SiO2 2*2/1=4 Валентность кремния в диоксиде равна +4.

ВАЛЕНТНОСТЬ (лат. valentia – сила) способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или групп атомов .

В течение многих десятилетий понятие валентности относилось к основным, фундаментальным понятиям в химии. С этим понятием обязательно сталкивались все изучающие химию. Вначале оно казалось им достаточно простым и однозначным: водород одновалентен, кислород двухвалентен и т.д. В одном из пособий для абитуриентов так и сказано: «Валентность – количество химических связей, образованных атомом в соединении». Но какова тогда, в соответствии с этим определением, валентность углерода в карбиде железа Fe 3 C, в карбониле железа Fe 2 (CO) 9 , в давно известных солях K 3 Fe(CN) 6 и K 4 Fe(CN) 6 ? И даже в хлориде натрия каждый атом в кристалле NaCl связан с шестью другими атомами! Так что многие определения, даже напечатанные в учебниках, нужно применять очень осмотрительно.

В современных изданиях можно встретить разные, часто не согласующимися друг с другом определения. Например, такое: «Валентность – это способность атомов образовывать определенное число ковалентных связей». Это определение четкое, однозначное, но оно применимо только для соединений с ковалентными связями. Определяют валентность атома и общим числом электронов, участвующих в образовании химической связи; и числом электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами; и числом его неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар. Вызывает затруднения и другое часто встречавшееся определение валентности как числа химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами, так как не всегда можно четко определить, что такое химическая связь. Ведь далеко не во всех соединениях химические связи образованы парами электронов. Простейшим примером могут служить ионные кристаллы, например, хлорид натрия; в нем каждый атом натрия образует связь (ионную) с шестью атомами хлора, и наоборот. А надо ли считать химическими связями водородные связи (например, в молекулах воды)?

Встает вопрос, чему может быть равна валентность атома азота в соответствии с разными ее определениями. Если валентность определять общим числом электронов, участвующих в образовании химических связей с другими атомами, то максимальную валентность атома азота следует считать равной пяти, так как атом азота может использовать при образовании химических связей все свои пять внешних электронов – два s-электрона и три p-электронов. Если валентность определять числом электронных пар, которыми данный атом связан с другими, то в таком случае максимальная валентность атома азота равна четырем. При этом три p-электрона образуют с другими атомами три ковалентные связи и еще одна связь образуется за счет двух 2s-электронов азота. Примером может случить реакция аммиака с кислотами с образованием катиона аммония.Наконец, если определять валентность только числом неспаренных электронов в атоме, то валентность азота не может быть больше трех, так как в атоме N не может быть больше трех неспаренных электронов (возбуждение 2s-электрона может происходить только на уровень с n = 3, что энергетически крайне невыгодно). Так, в галогенидах азот образует только три ковалентные связи, и не существует таких соединений как NF 5 , NCl 5 или NBr 5 (в отличие от вполне стабильных PF 3 , PCl 3 и PBr 3). Но если атом азота передаст один из своих 2s-электронов другому атому, то в образовавшемся катионе N + останется четыре неспаренных электрона, и валентность этого катиона будет равна четырем. Так происходит, например, в молекуле азотной кислоты. Таким образом, разные определения валентности приводят к разным результатам даже в случае простых молекул.

Какое же из этих определений «правильное» и можно ли вообще дать для валентности однозначное определение. Чтобы ответить на эти вопросы, полезно сделать экскурс в прошлое и рассмотреть, как с развитием химии изменялось понятие «валентность».

Впервые идея валентности элементов (не получившая, впрочем, в то время признания) была высказана в середине 19 в. английским химиком Э.Франкландом: он говорил об определенной «емкости насыщения» металлов и кислорода. Впоследствии под валентностью стали понимать способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов (или групп атомов) с образованием химической связи. Один из создателей теории химического строения Фридрих Август Кекуле писал: «Валентность – фундаментальное свойство атома, свойство такое же постоянное и неизменяемое, как и самый атомный вес». Кекуле считал валентность элемента постоянной величиной. К концу 1850-х большинство химиков считали, что валентность (тогда говорили «атомность») углерода равна 4, валентности кислорода и серы равны 2, а галогенов – 1. В 1868 немецкий химик К.Г.Вихельхауз вместо «атомность» предложил использовать термин «валентность» (на латыни valentia – сила). Однако в течение длительного времени он почти не употреблялся, во всяком случае, в России (вместо него говорили, например, о «единицах сродства», «числе эквивалентов», «числе паев» и т.п.). Показательно, что в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона (практически все статьи по химии в этой энциклопедии просматривал, правил, а часто и писал Д.И.Менделеев) статьи «валентность» вообще нет. Нет его и в классическом труде Менделеева Основы химии (он лишь изредка упоминает понятие «атомность», не останавливаясь на нем детально и не давая ему однозначного определения).

Чтобы наглядно показать трудности, с самого начала сопровождавшие понятие «валентность», уместно процитировать популярный в начале 20 в. многих странах, ввиду большого педагогического таланта автора, учебник американского химика Александра Смита, изданный им в 1917 (в русском переводе – в 1911, 1916 и 1931): «Ни одно понятие в химии не получало такого количества неясных и неточных определений, как понятие валентности». И далее в разделе Некоторые странности во взглядах на валентность автор пишет:

«Когда впервые было построено понятие валентности, тогда считали – совершенно ошибочно, – что каждый элемент имеет одну валентность. Поэтому, рассматривая такие пары соединений, как CuCl и CuCl 2 , или... FeCl 2 и FeCl 3 , исходили из допущения, что медь всегда двухвалентна, а железо трехвалентно, и на этом основании искажали формулы так, чтобы подогнать их к этому допущению. Таким образом, формулу однохлористой меди писали (да и часто пишут и посейчас) так: Cu 2 Cl 2 . В таком случае формулы двух хлористых соединений меди в графическом изображении получают вид: Cl–Cu–Cu–Cl и Cl–Cu–Cl. В обоих случаях каждый атом меди удерживает (на бумаге) две единицы, а потому является двухвалентным (на бумаге). Подобным образом... удвоение формулы FeCl 2 дало Cl 2 >Fe–Fe 2, что позволило считать... железо трехвалентным.» И далее Смит делает очень важный и актуальный во все времена вывод: «Вполне противно научному методу – изобретать или искажать факты в целях поддержки представления, которое, не будучи основано на опыте, является результатом простого предположения. Однако история науки показывает, что подобные ошибки наблюдаются часто».

Обзор представлений начала века о валентности дал в 1912 русский химик Л.А.Чугаев, получивший мировое признание за работы по химии комплексных соединений. Чугаев четко показал трудности, связанные с определением и применением понятия валентность:

«Валентность – термин, употребляемый в химии в том же смысле, как «атомность», для обозначения максимального числа атомов водорода (или иных одноатомных атомов или одноатомных радикалов), с которыми атом данного элемента может находиться в непосредственной связи (или которые он способен замещать). Слово валентность часто также употребляется в смысле единицы валентности, или единицы сродства. Так, говорят, что кислород обладает двумя, азот тремя валентностями и т.д. Слова валентность и «атомность» прежде употреблялись без всякого различия, но по мере того, как самое понятия, выражаемые ими, теряло первоначальную простоту и осложнялось, для целого ряда случаев осталось в употреблении только слово валентность… Осложнение понятия о валентности началось с признания, что валентность есть величина переменная... причем по смыслу дела она выражается всегда целым числом».

Химикам было известно, что многие металлы имеют переменную валентность, и следовало говорить, например, о двухвалентном, трехвалентном и шестивалентном хроме. Чугаев говорил, что даже в случае углерода пришлось признать возможность того, что его валентность может быть отлична от 4, причем СО – не единственное исключение: «Двухвалентный углерод, весьма вероятно, содержится в карбиламинах СН 3 –N=C, в гремучей кислоте и ее солях C=NOH, C=NOMe и пр. Мы знаем, что существует также углерод трехатомный...» Обсуждая теорию немецкого химика И.Тиле о «парциальных» или частичных валентностях, Чугаев говорил о ней, как «одной из первых попыток расширить классическое понятие о валентности и распространить его на случаи, к объяснению которых оно, как таковое, является неприложимым. Если Тиле пришел к необходимости... допустить «дробление» единиц валентности, то существует целый ряд фактов, заставляющих еще и в ином смысле вывести понятие о валентности из тех узких рамок, в которых оно было первоначально заключено. Мы видели, что изучение простейших (по большей части бинарных...) соединений, образуемых химическими элементами, для каждого из этих последних заставляет допустить определенные, всегда небольшие и, конечно, целые значения их валентности. Таких значений, вообще говоря, очень немного (элементы, проявляющие более трех различных валентностей, редки)... Опыт показывает, однако, что когда уже все вышеупомянутые единицы валентности следует признать насыщенными, способность образующихся при этом молекул к дальнейшему присоединению вовсе еще не достигает предела. Так, соли металлов присоединяют воду, аммиак, амины.., образуя разнообразные гидраты, аммиакаты... и т.п. сложные соединения, которые... мы ныне относим к числу комплексных. Существование таких соединений, не укладывающихся в рамки простейшего представления о валентности, естественно потребовало его расширения и введения дополнительных гипотез. Одна из таких гипотез, предложенная А.Вернером, заключается в том, что наряду с главными, или основными, единицами валентности существуют еще другие, побочные. Последние обыкновенно обозначаются пунктиром.»

Действительно, какую валентность, например, следовало приписать атому кобальта в его хлориде, присоединившем шесть молекул аммиака с образованием соединения CoCl 3 ·6NH 3 (или, что то же, Co(NH 3) 6 Cl 3)? В нем атом кобальта соединен одновременно с девятью атомами хлора и азота! Д.И.Менделеев писал по этому поводу о малоисследованных «силах остаточного сродства». А швейцарский химик А.Вернер, создавший теорию комплексных соединений, ввел понятия главной (первичной) валентности и побочной (вторичной) валентности (в современной химии этим понятиям отвечают степень окисления и координационное число). Обе валентности могут быть переменными, причем различить их в ряде случаев очень трудно или даже невозможно.

Далее Чугаев затрагивает теорию Р.Абегга об электровалентности, которая может быть положительной (в высших кислородных соединениях) или отрицательной (в соединениях с водородом). При этом сумма высших валентностей элементов по кислороду и водороду для групп с IV по VII равна 8. На этой теории до сих пор основано изложение во многих учебниках химии. В заключение Чугаев упоминает химические соединения, для которых понятие валентности практически неприменимо – интерметаллические соединения, состав которых «часто выражается весьма своеобразными формулами, очень мало напоминающие обычные значения валентности. Таковы, например, следующие соединения: NaCd 5 , NaZn 12 , FeZn 7 и др.»

На некоторые трудности определения валентности указывал другой известный русский химик И.А.Каблуков в своем учебнике Основные начала неорганической химии , изданном в 1929. Что же касается координационного числа, процитируем (в русском переводе) изданный в Берлине в 1933 учебник одного из создателей современной теории растворов датского химика Нильса Бьеррума:

«Обычные числа валентностей не дают никакого представления о характерных свойствах, проявляемых многими атомами в многочисленных комплексных соединениях. Чтобы объяснить способность атомов или ионов образовывать комплексные соединения, ввели для атомов и ионов новый особый ряд чисел, отличающихся от обычных чисел валентностей. В комплексных ионах серебра... непосредственно с центральным атомом металла связаны большей частью два атома или две группы атомов, например, Ag(NH 3) 2 + , Ag(CN) 2 – , Ag(S 2 O 3) 2 – ... Для описания этой связи ввели понятие координационного числа и приписывают ионам Ag + координационное число 2. Как видно из приведенных примеров, группы, связанные с центральным атомом , могут быть и нейтральными молекулами (NH 3) и ионами (CN – , S 2 O 3 –). Двухвалентный ион меди Cu ++ и трехвалентный ион золота Au +++ имеют в большинстве случаев координационное число 4. Координационное число атома, конечно, еще не указывает, какого рода связь существует между центральным атомом и связанными с ним другими атомами или группами атомов; но оно оказалось превосходным средством для систематики комплексных соединений».

Очень наглядные примеры «особых свойств» комплексных соединений приводит в своем учебнике А.Смит:

«Рассмотрим следующие „молекулярные“ соединения платины: PtCl 4 ·2NH 3 , PtCl 4 ·4NH 3 , PtCl 4 ·6NH 3 и PtCl 4 ·2KCl. Ближайшее изучение этих соединений показывает ряд замечательных особенностей. Первое соединение в растворе практически не распадается на ионы; электропроводность растворов его чрезвычайно мала; азотнокислое серебро не дает с ним осадка AgCl. Вернер принял, что атомы хлора связаны с атомом платины обычными валентностями; их Вернер назвал главными, а молекулы аммиака связаны с атомом платины дополнительными, побочными валентностями. Это соединение, по Вернеру, имеет такое строение:

Большие скобки указывают на целостность группы атомов, на комплекс, не распадающийся при растворении соединения.

Второе соединение обладает отличными от первого свойствами; это – электролит, электропроводность его растворов того же порядка, что и электропроводность растворов солей, распадающихся на три иона (K 2 SO 4 , BaCl 2 , MgCl 2); азотнокислое серебро осаждает два атома из четырех. По Вернеру это соединение следующего строения: 2– + 2Cl – . Здесь мы имеем комплексный ион атомы хлора в нем не осаждаются азотнокислым серебром, и этот комплекс образует вокруг ядра – атома Pt – внутреннюю сферу атомов в соединении, отщепляющиеся же в виде ионов атомы хлора образуют внешнюю сферу атомов, почему мы и пишем их вне больших скобок. Если мы будем считать, что Pt имеет четыре главные валентности, то в этом комплексе использованы только две, две же другие удерживают два внешних атома хлора. В первом соединении в самом комплексе использованы все четыре валентности платины, вследствие чего это соединение не электролит.

В третьем соединении все четыре атома хлора осаждаются азотнокислым серебром; большая электропроводность этой соли показывает, что она дает пять ионов; очевидно, что ее строение следующее: 4– + 4Cl – ... В комплексном ионе все молекулы аммиака связаны с Pt побочными валентностями; соответственно четырем главным валентностям платины во внешней сфере есть четыре атома хлора.

В четвертом соединении азотнокислое серебро не осаждает вовсе хлора, электропроводность его растворов указывает на распадение на три иона, обменные реакции обнаруживают ионы калия. Этому соединению мы приписываем следующее строение 2– + 2K + . В комплексном ионе четыре главные валентности Pt использованы, но так как не использованы главные валентности двух атомов хлора, то во внешней сфере могут быть удержаны два положительных одновалентных иона (2K + , 2NH 4 + и т.д.).»

Приведенные примеры разительного отличия свойств внешне похожих комплексов платины дают представление о сложностях, с которыми сталкивались химики при попытках однозначного определения валентности.

После создания электронных представлений о строении атомов и молекул стали широко пользоваться понятием «электровалентность». Поскольку атомы могут как отдавать, так и принимать электроны, электровалентность могла быть как положительной, так и отрицательной (сейчас вместо электровалентности используют понятие степень окисления). Насколько новые электронные представления о валентности согласовывались с прежними? Н.Бьеррум в уже цитированном учебнике пишет по этому поводу: «Между обычными числами валентностей и введенными новыми числами – электровалентностью и координационным числом – имеется некоторая зависимость, но они ни в коем случае не идентичны. Старое понятие валентности распалось на два новых понятия». По этому поводу Бьеррум сделал важное примечание: «Координационное число углерода в большинстве случаев равно 4, а его электровалентность или +4 или –4. Так как для атома углерода оба числа обычно совпадают, то соединения углерода непригодны для того, чтобы изучать на них различие между этими двумя понятиями».

В рамках электронной теории химической связи, развитой в работах американского физикохимика Г.Льюиса и немецкого физика В.Косселя, появились такие понятия, такие как донорно-акцепторная (координационная) связь и ковалентность. В соответствии с этой теорией, валентность атома определяли числом его электронов, участвующих в образовании общих электронных пар с другими атомами. При этом максимальную валентность элемента считали равной числу электронов во внешней электронной оболочке атома (оно совпадает с номером группы периодической таблицы, которой принадлежит данный элемент). Согласно другим представлениям, основанным на квантово-химических законах (их развивали немецкие физики В.Гайтлер и Ф.Лондон), считать надо не все внешние электроны, а только неспаренные (в основном или возбужденном состоянии атома); именно это определение приведено в ряде химических энциклопедий.

Однако известны факты, не укладывающиеся в эту простую схему. Так, в ряде соединений (например, в озоне) пара электронов может удерживать не два, а три ядра; в других молекулах химическая связь может осуществляться единственным электроном. Описать подобные связи без привлечения аппарата квантовой химии невозможно. Как, например, определить валентность атомов в таких соединениях как пентаборан В 5 Н 9 и другие бораны с «мостиковыми» связями, в которых атом водорода связан сразу с двумя атомами бора; ферроцен Fe(C 5 H 5) 2 (атом железа со степенью окисления +2 связан сразу с 10 атомами углерода); пентакарбонил железа Fе(СО) 5 (атом железа в нулевой степени окисления связан с пятью атомами углерода); пентакарбонилхромат натрия Na 2 Cr(CO) 5 (степень окисления хрома-2)? Такие «неклассические» случаи вовсе не являются чем-то исключительным. Подобных «нарушителей валентности», соединений с различными «экзотическими валентностями» по мере развития химии становилось все больше.

Чтобы обойти некоторые трудности, было дано определение, согласно которому при определении валентности атома надо учитывать суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Вакантные орбитали принимают непосредственное участие в образовании донорно-акцепторных связей в разнообразных комплексных соединениях.

Один из выводов заключается в том, что развитие теории и получение новых экспериментальных данных привело к тому, что попытки добиться ясного понимания природы валентности разделили это понятие на ряд новых представлений, таких как главная и побочная валентность, ионная валентность и ковалентность, координационное число и степень окисления и т.д. То есть понятие «валентность» «расщепилось» на ряд самостоятельных понятий, каждое из которых действует в определенной области». По-видимому, традиционное понятие валентности имеет четкий и однозначный смысл только для соединений, в которых все химические связи являются двухцентровыми (т.е. соединяющими только два атома) и каждая связь осуществляется парой электронов, расположенной между двумя соседними атомами, проще говоря – для ковалентных соединений типа HCl, CO 2 , C 5 H 12 и т.п.

Второй вывод не совсем обычен: термин «валентность», хотя и употребляется в современной химии, имеет весьма ограниченное применение, попытки дать ему однозначное определение «на все случаи жизни» мало продуктивны и вряд ли нужны. Недаром авторы многих учебников, особенно выходящих за рубежом, обходятся вовсе без этого понятия или же ограничиваются указанием на то, что понятие «валентность» имеет в основном историческое значение, тогда как сейчас химики пользуются в основном более распространенным, хотя и несколько искусственным понятием «степень окисления».

Илья Леенсон

При рассмотрении химических элементов можно заметить, что количество атомов у одного и того же элемента в разных веществах разнится. Каким же образом правильно записать формулу и не ошибиться в индексе химического элемента? Это легко сделать, если иметь представление, что такое валентность.

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: CH 4 .

Очень многие элементы образуют соединения с кислородом. Кислород всегда является двухвалентным. Поэтому в формуле воды H 2 O, 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 – Mn 2 O 7

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:

Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 991.

Рекомендуем почитать