Определение валентности по таблице менделеева – Валентные электроны ℹ️ формула определения числа электронов по таблице Менделеева, правило и примеры нахождения для химических соединений

Содержание

Объясните пожалуйста, чем подробнее, тем лучше, как определять валентность?

Валентность — свойство атомов одного химического элемента присоединять определенное число атомов другого химического элемента.
Есть элементы, которые имеют постоянную валентность:
одновалентны (I) — H,Li, Na, K, Rb, Cs, F, I
двухвалентны (II) — O, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd
трехвалентны (III) — B, Al
Это нужно знать наизусть. Если не получается выучить, то сделай себе шпаргалку из моего письма.
Есть еще один способ: определять валентность можно по таблице Д. И. Менделеева.
Все элементы в таблице разделены на подгруппы а) и б) . Активные металлы занимают только три первые группы.
Металлы, которые стоят в первой а) группе имеют валентность I.
Металлы, которые стоят во второй а) группе имеют валентность II.
Есть металлы с переменной валентностью, тогда ее указывают в скобках, например, оксид железа (III). Это говорит нам о том, что железо — трехвалентно в данном соединении с кислородом.
Неметаллы имеют две валентности и более (тогда она указывается в скобках) : низшую — вычисляют по формуле (8-Ь группы) , в которой находится элемент;
высшую — равную номеру группы, в которой находится этот элемент.
Номер группы указан вверху таблицы.
Алгоритмы составления формул по валентности и определение валентности по формуле я посылаю как прикрепленный файл. Распечатай его и пользуйся пока не научишься.

КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ВАЛЕНТНОСТЬ ЭЛЕМЕНТА ПО ФОРМУЛЕ

В молекулах водородных соединений валентность определяется легко: водород,
как мы уже знаем, всегда одновалентен, а валентность связанного с ним элемента
равна числу атомов водорода в этой молекуле. Попробуйте потренироваться сами:

Bh4 h3Se Cah3 NaH Ash4 Sih5 HBr h3S HF

А теперь поработаем c формулами веществ, не содержащих атомов водорода.
Пусть
нам, к примеру, дано задание: определить валентность фосфора в его оксиде Р2О5.
Валентность кислорода узнать легко: он во всех соединениях двухвалентен. Обозначим
его валентность в формуле: над знаком фосфора пишем римскую цифр

Валентные электроны ℹ️ формула определения числа электронов по таблице Менделеева, правило и примеры нахождения для химических соединений

Валентные электроны

Электроны и валентность

Международный союз теоретической и прикладной химии определил валентность как максимальное число одновалентных атомов (первоначально — водорода или хлора), которые могут объединяться с атомом или фрагментом рассматриваемого элемента.

Современная альтернативная трактовка звучит несколько иначе: валентность — это число атомов водорода, которые могут объединяться с элементом в бинарном гидриде, или удвоенное количество атомов кислорода, объединяющихся с элементом в его оксиде или оксидах. Это определение отличается от формулировки МСТПХ, поскольку большинство веществ имеет более чем одну валентность.

Модель ядерного атома Резерфорда (1911) показала, что внешнюю оболочку атома занимают заряженные частицы, это свидетельствует о том, что электроны ответственны за взаимодействие атомов и образование химических связей.

В 1916 году Гилберт Н. Льюис объяснил валентность и химическую связь с точки зрения тенденции атомов достигать стабильного октета из 8 электронов в валентной оболочке.

Электроны

Согласно Льюису, ковалентная связь приводит к октетам при совместном использовании электронов, а ионная связь — при передаче электронов от одного атома к другому. Термин ковалентность приписывается Ирвингу Лэнгмюру. Префикс ко означает «вместе», то есть атомы разделяют валентность. Поэтому определение валентности по формуле соединения стало возможным.

В 1930-х годах Линус Полинг предположил, что существуют также полярные ковалентные связи, которые являются промежуточными, а степень ионного характера зависит от разницы электроотрицательности двух связанных атомов.

Полинг также рассматривал гипервалентные молекулы, в которых элементы имеют кажущиеся валентности, например, в молекуле гексафторида серы (SF6). Учёный считал, что сера образует 6 истинных двух электронных связей с использованием sp3 d2 гибридных атомных орбиталей, которые объединяют одну s, три p и две d орбитали.

Для основных элементов в периодической таблице Менделеева валентность может варьироваться от 1 до 7. Многие вещества имеют общую валентность, связанную с их положением в таблице. Для описания ионов в зарядовых состояниях 1, 2, 3 и т. д. (соответственно) используются греческие/латинские цифровые префиксы (моно- / уни- / би- / три-).

Валентные электроны как определить

Виды с одним зарядом являются одновалентными. Например, Cs+ — одновалентный катион, тогда как Ca2+ является двухвалентным, а Fe3+ — трёхвалентным. Существуют также поливалентные катионы, которые не ограничены определённым количеством валентных связей.

В отличие от Cs и Ca, Fe может существовать в других зарядовых состояниях, особенно 2+ и 4+, и поэтому известен как многовалентный (поливалентный) ион.

Переходные металлы и металлы, как правило, многовалентны, но, к сожалению, не существует простой схемы, предсказывающей их валентность.

Определение количества

Можно определить количество электронов с помощью специального онлайн-калькулятора. Однако его нахождение под рукой не всегда возможно. Поэтому следующий вариант — обратиться к атомной конфигурации элемента и просто сосчитать число заряженных частиц в самой внешней оболочке атома. Однако это чрезвычайно утомительное занятие, так как, возможно, придётся пролистать много учебников, чтобы найти конфигурации, с которыми исследователь не знаком.

Определение валентности по формуле

Количество ВЭ элемента и его валентность определить по таблице Менделеева проще всего. Нужно обратить внимание на вертикальный столбец, в котором указана классификация.

Исключением являются переходные металлы — 3−12 группы.

Цифра в порядковом номере группы показывает, сколько валентных электронов связано с нейтральным атомом вещества, указанного в этом конкретном столбце.

Пример в таблице:

Группа ВЭ
1 (I) (щелочные металлы) 1
2 (II) (щёлочноземельные металлы) 2
3−12 (переходные металлы) 3−12
13 (III) (борная группа) 3
14 (IV) (углеродная) 4
15 (V) (группа азота) 5
16 (VI) (кислородная группа) 6
17 (VII) (галогены) 7
18 (VIII или 0) (благородные газы) 8

Надо сказать, что периодическая таблица — это аккуратное расположение всех элементов, которые известны науке на данный момент.

Они располагаются слева направо в порядке возрастания их атомарных номеров или числа протонов (электронов), которые они содержат.

Все вещества в таблице Менделеева делятся на четыре категории:

  • элементы основной группы;
  • переходные элементы;
  • лантаноиды;
  • актиниды.

Последние два — это внутренние переходные элементы, образующие мост в группах 2 и 13. Таблица содержит строки — периоды — и 18 столбцов, известных как группы. Есть ещё подтаблица, которая содержит 7 строк и 2 столбца с более редкими веществами.

Номер строки (периода) элемента показывает количество оболочек, окружающих его ядро.

Химические реакции

Число электронов, содержащихся во внешней оболочке атома, которая ещё называется валентной, определяет его способность образовывать связи. Поэтому элементы с одинаковым количеством валентных электронов в атоме группируются в периодическую таблицу. Обычно вещества главной группы, исключая гелий и водород, имеют тенденцию вступать в реакцию с образованием замкнутой оболочки, которая соответствует конфигурации электронов s

2 p6. Это называется правилом октетов, поскольку у каждого связанного атома будет восемь ВЭ, учитывая общие электроны.

Валентные электроны количество

Из металлических элементов наиболее реакционноспособными являются щелочные металлы первой группы, например, калий и натрий. Такой атом имеет только один ВЭ. Эта единственная заряженная частица с лёгкостью теряется во время образования ионной связи, после чего образуется катион (положительный ион), например, K

+ или Na+, оболочка которого будет закрыта.

Вторая группа — щёлочноземельные металлы, например, магний, — менее реактивны. Чтобы получить положительный ион (Mg2+), каждому их атому нужно отдать два ВЭ.

В любой группе (в столбце таблицы Менделеева) металлов реакционная способность становится больше, если двигаться от лёгкого вещества к более тяжёлому, то есть увеличивается с каждым нижним рядом таблицы. Происходит это просто потому, что у тяжёлых элементов больше оболочек. Их ВЭ приходится существовать в условиях более высоких главных квантовых чисел.

Они находятся дальше от атомного ядра и, следовательно, обладают более высокой потенциальной энергией, это означает, что связь между ними менее тесная.

Атом неметалла настроен привлекать дополнительные ВЭ, чтобы образовать полную валентную оболочку.

Это может быть достигнуто одним из двух способов:

  • посредством ковалентной связи, то есть атом поделится электронами с соседом;
  • будет использована ионная связь, то есть электроны возьмут из другого атома.
Как определить валентность по таблице менделеева

Наиболее реактивными видами неметаллических элементов являются галогены. К ним можно отнести хлор (Cl) или, например, фтор (F).

Если двигаться от лёгкого элемента к тяжёлому, в пределах каждой группы неметаллов их реакционная способность будет уменьшаться. Это потому, что ВЭ будут терять тесную связь, поскольку приобретают более высокую энергию. По факту, самый лёгкий элемент в группе 16 — кислород — наиболее реакционноспособный неметалл, после фтора, конечно.

В таких простых случаях, когда соблюдается правило октета, валентность атома равна количеству разделённых электронов, потерянных или полученных для того, чтобы сформировался стабильный октет. Однако есть также много молекул, для которых валентность менее чётко определена, но это скорее исключения.

Электронная конфигурация

Заряженные частицы, определяющие химическую реакцию атома, — это те, чьё среднее расстояние от ядра самое большое, то есть они обладают самой высокой энергией. Для элемента основной группы ВЭ определяются как те, что находятся в электронной оболочке с наибольшим главным квантовым числом n.

Следовательно, число валентных электронов, которое может быть у вещества, зависит от конфигурации самих частиц. Например, чтобы определить валентные электроны фосфора, нужно записать его конфигурацию: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3. Итак, получается 5 ВЭ (3s 2 3p 3), что соответствует максимальной валентности для P, равной 5.

 число валентных электронов

Однако переходные элементы имеют частично заполненные (n — 1) d энергетические уровни, к слову, довольно близкие по энергии к уровню ns. Поэтому, в отличие от веществ основной группы, ВЭ для переходного металла определяется как частица, которая находится вне ядра благородного газа.

Как правило, d-электроны в переходных металлах ведут себя как валентные, хотя они не находятся в оболочке. Например, марганец (Mn) имеет конфигурацию 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5, это сокращённо — [Ar] 4s2 3d5, где [Ar] — обозначение конфигурации ядра, идентичной благородному газу — аргону. Электрон 3d этого атома имеет энергию, аналогичную 4s, но превышающую 3s или 3p.

Вне аргоноподобного ядра, возможно, есть семь валентных электронов (4s2 3d5), это вполне согласуется с тем фактом, что, например, степень окисления марганца может достигать +7 (в перманганатном ионе MnO — 4).

Чем правее вещество расположено в ряду переходных металлов, тем энергия его заряженной частицы в субоболочке ниже, и тем меньше валентных свойств у такого электрона.

Например, хотя обычно у атома никеля десятая валентность (4s2 3d8), его степень окисления никогда не превышает четырёх. Для цинка 3d-оболочка является полной и ведёт себя подобно электронам ядра.

Поскольку количество ВЭ, участвующих в химических реакциях фактически, предсказать сложно, концепция этой частицы несёт мало пользы для переходных металлов, если сравнивать с элементами из основной группы. Однако подсчёт электронов для понимания химии переходных металлов является альтернативным инструментом.

Электрическая проводимость

Ответственность за электрическую проводимость вещества в том числе лежит и на электронах. Вследствие чего элементы классифицируются следующим образом:

В твёрдом состоянии металлические элементы обычно имеют высокую электропроводность. Поскольку валентный электрон металла обладает небольшой энергией ионизации, находясь в твёрдом состоянии, он относительно свободно покидает атом, чтобы связываться с другими.

Когда электрон свободный, он может перемещаться под воздействием электрического поля, то есть создавать электрический ток, отвечая за электропроводность металла. Примером хороших проводников могут служить серебро, равно как и золото, алюминий и, конечно, медь.

 валентность элементов

Как изолятор действует неметаллический элемент, поскольку имеет низкую электропроводность. В таблице Менделеева такие вещества находятся справа. Их валентная оболочка заполнена наполовину (исключение составляет бор). Когда на атом воздействует некоторое электрическое поле, заряженная частица не может его легко покинуть, поэтому такой элемент может проводить слабый постоянный или переменный электрический ток. Например, сера и алмаз — одни из таких веществ.

Изолятором также может быть твёрдое соединение, которое содержит металлы, если для образования ионных связей используются ВЭ атомов металла. К примеру, натрий, хоть он и представляет собой мягкий металл, однако твёрдый хлорид натрия является изолятором.

Поскольку для образования ионной связи ВЭ натрия переносятся в хлор, электроны не имеют возможности легко перемещаться.

Полупроводники обладают промежуточной между металлами и неметаллами электрической проводимостью. Интересно, что при увеличении температуры у этих веществ улучшается проводимость. Германий и кремний можно отнести к типичным элементарным полупроводникам, каждый их атом имеет 4 ВЭ. Надо сказать, что лучше всего свойства полупроводников объясняются с помощью теории зон.


Как определить валентность по периодической таблице Менделеева: что это такое, изучение свойств химических элементов

Атомы химических элементов могут образовывать различное число связей. Эта способность имеет специальное название – валентность. Давайте разберемся, как определить валентность по таблице Менделеева, узнаем, в чем заключается ее отличие от степени окисления, увидим закономерности, характерные для водорода, углерода, фосфора, цинка, научимся находить валентность химических элементов….

Основные сведения

Валентность – это возможность атомов различных химических элементов образовывать связи между собой. Другими словами можно сказать, что это способность атома присоединить к себе определенное количество других атомов.

Важно! Это не всегда постоянное число для одного и того же элемента. В разных соединениях элемент может обладать различными значениями.

Определение по таблице Д.И. Менделеева

Свойства элементов из группы металлов: как определить валентность по таблице МенделееваДля определения этой способности атома по таблице Менделеева необходимо знать, что такое группы и подгруппы периодической таблицы.

Это вертикальные столбцы, которые делят все элементы по определенному признаку. В зависимости от признака, выделяют подразделения элементов.

Этими столбцами элементы делятся на тяжелые и легкие элементы, а также подгруппы галогены, инертные газы и тому подобное.

Итак, для определения способности элемента образовывать связи нужно руководствоваться двумя правилами:

  • Высшая валентность элемента равна номеру его группы.
  • Низшая валентность находится как разница между числом 8 и номером группы, в которой расположен данный элемент.

Например, фосфор проявляет высшую валентность V – P2O5 и низшую (8-5)=3– PF3.

Стоит также отметить несколько основных характеристик и особенностей при определении этого показателя:

  • Валентность водорода всегда I – h3O, HNO3, h4PO4.
  • Валентность кислорода всегда равна II – CO2, SO3.
  • У металлов, которые расположены в главной подгруппе, этот показатель всегда равен номеру группы – Al2O3, NaOH, KH.
  • Для неметаллов чаще всего проявляются только две валентности – высшая и низшая.

Также существуют элементы, у которых может быть 3 или 4 разных значений этого показателя. К ним относятся хлор, бор, йод, хром, сера и другие. Например, хлор обладает валентностью I, III, V, VII – HCl, ClF3,ClF5,HClO4 соответственно.

Определение по формуле

Для определения по формуле можно воспользоваться несколькими правилами:

  1. Если известна валентность (V) одного из элементов в двойном соединении: допустим, есть соединение углерода и кислорода СО2, при этом мы знаем, что валентность кислорода всегда равна II, тогда можем воспользоваться таким правилом: произведение числа атомов на его V одного элемента должно равняться произведению числа атомов другого элемента на его V. Таким образом, валентность углерода можно найти так – 22 (в молекуле 2 атома кислорода с V= 2), то есть валентность углерода равняется 4. Рассмотрим еще несколько примеров: P2O5 – тут валентность фосфора = (5*2)/2 = 5. HCl – валентность хлора будет равна I, так как в этой молекуле 1 атом водорода, и V= 1.
  2. Если известна валентность нескольких элементов, которые составляют группу: в молекуле гидроксида натрия NaOH валентность кислорода равняется II, а валентность водорода – I, таким образом группа -OH обладает одной свободной валентностью, так как кислород присоединил только один атом водорода и еще одна связь свободна. К ней и присоединится натрий. Можно сделать вывод, что натрий – одновалентный элемент.

Разница между степенью окисления и валентностью

Свойства элементов из группы металлов: как определить валентность по таблице МенделееваОчень важно понимать принципиальную разницу между этими понятиями. Степень окисления – это условный электрический заряд, которым обладает ядро атома, в то время как валентность – это количество связей, которые может установить ядро элемента.

Рассмотрим подробнее, что такое степень окисления. Согласно современной теории о строении атома, ядро элемента состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов без заряда, а вокруг него находятся электроны с отрицательным зарядом, которые уравновешивают заряд ядра и делают элемент электрически нейтральным.

В случае, если атом устанавливает связь с другим элементом, он отдает или принимает электроны, то есть выходит из состоянии баланса и начинает обладать электрическим зарядом. При этом если атом отдает электрон, он становится положительно заряженным, а если принимает – отрицательным.

Внимание! В соединении хлора и водорода HCl водород отдает один электрон и приобретает заряд +1, а хлор принимает электрон и становится отрицательным -1. В сложных соединениях, HNO3 и h3SO4, степени окисления будут такими – H+1N+5O3 -2 и h3 +1S +6O4 -2.

Сравнивая два этих определения, можно сделать вывод, что валентность и степень окисления часто совпадают: валентность водорода +1 и валентность I, степень окисления кислорода -2 и V II, но очень важно помнить, что это правило выполняется не всегда!

В органическом соединении углерода под названием формальдегид и формулой HCOH у углерода степень окисления 0, но он обладает V, равной 4. В перекиси водорода h3O2 у кислорода степень окисления +1, но V остается равной 2. Поэтому не следует отождествлять два этих понятия, так как в ряде случаев это может привести к ошибке.

Валентности распространенных элементов

Водород

Свойства элементов из группы металлов: как определить валентность по таблице МенделееваОдин из самых распространенных элементов во вселенной, встречается во многих соединениях и всегда обладает V=1. Это связано со строением его внешней электронной орбитали, на которой у водорода находится 1 электрон.

На первом уровне может находиться не более двух электронов одновременно, таким образом, водород может либо отдать свой электрон и образовать связь (электронная оболочка останется пустой), либо принять 1 электрон, также образовав новую связь (электронная оболочка полностью заполнится).

Пример: h3O – 2 атома водорода с V=1 связаны с двухвалентным кислородом, HCl – одновалентные хлор и водород, HCN – синильная кислота, где водород также проявляет V, равную 1.

Углерод

Углерод может обладать либо валентностью II, либо IV. Связано это со строением внешнего электронного уровня, на котором находится 2 электрона, в случае если он их отдаст, его V будет II. То есть 2 электрона установили 2 новые связи, например, соединение CO – угарный газ, где и кислород, и водород двухвалентные. Однако бывают ситуации, когда один электрон с первого уровня переходит на второй, тогда у углерода образуется 4 свободных электрона, которые могут образовывать связи: СО2, НСООН, Н2СО3.

Фосфор

Данный элемент может обладать валентностью III и V. Как и в предыдущих случаях, связанно это со строением внешнего электронного уровня, на котором у него 3 электрона, то есть возможность образовать 3 связи, но, как и углерод, у него возможен переход 1 электрона с s-орбитали на d-орбиталь, тогда неспаренных электронов станет 5, а значит, и валентность тоже будет равна V. Например: РН3, Р2О5, Н3РО4.

Цинк

Как элемент главной подгруппы и металл, цинк может обладать только валентностью, которая равна номеру его группы, то есть 2. Во всех своих соединениях валентность цинка равна II и не зависит от типа элемента и вида связи с ним. Пример: ZnCl2, ZnO, Znh3, ZnSO4.

Определение валентности химических элементов

Изучение валентности по периодической таблице Менделеева

Вывод

Теперь вы знаете, что такое валентность, чем она отличается от степени окисления, и легко определите валентность элементов по формулам или таблице Менделеева.

Это интересно! Основной закон Гесса и следствия из него

Валентность — Википедия

Вале́нтность (от лат. valēns «имеющий силу») — способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей.

История возникновения понятия «валентность»[править | править код]

Этимологию термина валентность возможно отследить начиная с 1425 года, когда его начали использовать в научных текстах в значении «экстракт», «препарат». Использование в рамках современного определения зафиксировано в 1884 году (нем. Valenz)[1]. В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал работу, в которой высказал предположение о существовании связей между мельчайшими частицами вещества[2].

PSM V15 D740 Edward Frankland.jpg

Однако точное и позже полностью подтверждённое понимание феномена валентности было предложено в 1852 году химиком Эдуардом Франклендом в работе, в которой он собрал и переосмыслил все существовавшие на тот момент теории и предположения на этот счёт[3]. Наблюдая способность к насыщению разных металлов и сравнивая состав органических производных металлов с составом неорганических соединений, Франкленд ввёл понятие о «соединительной силе» (соединительном весе), положив этим основание учению о валентности. Хотя Франкленд и установил некоторые частные закономерности, его идеи не получили развития.

Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле. В 1857 году он показал, что углерод является четырёхосновным (четырёхатомным) элементом, и его простейшим соединением является метан СН4. Уверенный в истинности своих представлений о валентности атомов, Кекуле ввёл их в свой учебник органической химии: основность, по мнению автора — фундаментальное свойство атома, свойство такое же постоянное и неизменяемое, как и атомный вес. В 1858 году взгляды, почти совпадающие с идеями Кекуле, высказал в статье «О новой химической теории» Арчибальд Скотт Купер.

Уже три года спустя, в сентябре 1861-го, А. М. Бутлеров внёс в теорию валентности важнейшие дополнения. Он провёл чёткое различие между свободным атомом и атомом, вступившим в соединение с другим, когда его сродство «связывается и переходит в новую форму». Бутлеров ввёл представление о полноте использования сил сродства и о «напряжении сродства», то есть энергетической неэквивалентности связей, которая обусловлена взаимным влиянием атомов в молекуле. В результате этого взаимного влияния атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение». Теория Бутлерова позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности.

Молекулярные модели Гофмана

Огромным достоинством теории валентности явилась возможность наглядного изображения молекулы. В 1860-х годах появились первые молекулярные модели. Уже в 1864 году А. Браун предложил использовать структурные формулы в виде окружностей с помещёнными в них символами элементов, соединённых линиями, обозначающими химическую связь между атомами; количество линий соответствовало валентности атома. В 1865 году А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары. В 1866 году в учебнике Кекуле появились рисунки стереохимических моделей, в которых атом углерода имел тетраэдрическую конфигурацию.

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента. Определенная таким образом валентность называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: так, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода — двум, азота — трём, углерода — четырём.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента. Определенная таким образом валентность называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода — двум, азота — трём, кремния — четырём, серы — шести.

У большинства элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H2S), а по кислороду шести (SO3). Кроме того, большинство элементов проявляют в разных своих соединениях различную валентность [некоторые элементы могут не иметь ни гидридов, ни оксидов]. Наприм., углерод образует с кислородом два оксида: монооксид углерода CO и диоксид углерода CO2. В монооксиде углерода валентность углерода равна двум, а в диоксиде — четырём (некоторые элементы способны образовывать также пероксиды). Из рассмотренных примеров следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом и/или методом, как правило, нельзя.

Современные представления о валентности[править | править код]

С момента возникновения теории химической связи понятие «валентность» претерпело существенную эволюцию. В настоящее время оно не имеет строгого научного толкования, поэтому практически полностью вытеснено из научной лексики и используется, преимущественно, в методических целях.

PSM V15 D740 Edward Frankland.jpg Резонансная модель образования ковалентных связей в молекуле HNO3

В основном, под валентностью химических элементов обычно понимается способность свободных его атомов (в более узком смысле — мера его способности) к образованию определённого числа ковалентных связей. В соединениях с ковалентными связями валентность атомов определяется числом образовавшихся двухэлектронных двухцентровых связей. Именно такой подход принят в теории локализованных валентных связей, предложенной в 1927 году В. Гайтлером и Ф. Лондоном. Очевидно, что если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами[4]. При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации гипотетического, т. н. «возбуждённого» (валентного) состояния. Например, максимальная валентность атома бора, углерода и азота равна 4 (например, в [BF4], CH4 и [NH4]+), фосфора — 5 (PCl5), серы — 6 (H2SO4), хлора — 7 (Cl2O7).
Число связей, которые может образовывать атом, равно числу его неспаренных электронов, идущих на образование общих электронных пар (молекулярных двухэлектронных облаков). Ковалентная связь может образовываться также по донорно-акцепторному механизму. При этом в обоих случаях не учитывается полярность образовавшихся связей, а потому валентность не имеет знака — она не может быть ни положительной, ни отрицательной, в отличие от степени окисления (N2, NO2, NH3 и [NH4]+).

PSM V15 D740 Edward Frankland.jpg Структурная формула молекулы этана

Кроме валентности по водороду и по кислороду, способность атомов данного элемента соединяться друг с другом или с атомами других элементов в ряде случаев можно выразить [часто и отождествить] иными способами: как, например, степень окисления элемента (условный заряд атома в предположении, что вещество состоит из ионов), ковалентность (число химических связей, образуемых атомом данного элемента, в том числе и с одноимённым элементом; см. ниже), координационное число атома (число атомов, непосредственно окружающих данный атом) и т. п. Эти характеристики могут быть близки и даже совпадать количественно, но ни коим образом не тождественны друг другу[5]. Например, в изоэлектронных молекулах азота N2, монооксида углерода CO и цианид-ионе CN реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления элементов равна, соответственно, 0, +2, −2, +2 и −3. В молекуле этана (см. рис.) углерод четырёхвалентен, как и в большинстве органических соединений, тогда как степень окисления равна −3.

Особенно это справедливо для молекул с делокализованными химическими связями, например в азотной кислоте степень окисления азота равна +5, тогда как азот не может иметь валентность выше 4. Известное из многих школьных учебников правило — «Максимальная валентность элемента численно равна номеру группы в Периодической таблице» — относится исключительно к степени окисления. Понятия «постоянной валентности» и «переменной валентности» также преимущественно относятся к степени окисления.

Семиполярные и донорно-акцепторные (дативные) связи по своей сути являются «двойными» связями, поскольку при их образовании происходят оба процесса: перенос электрона (образование ионной связи) и обобществление электронов (образование ковалентной связи).

Понятие валентности нельзя использовать и в очень многих случаях, когда невозможно применить модель двухэлектронных двухцентровых связей[6] — нельзя говорить о валентности элементов в соединениях, где отсутствуют ковалентные связи (чаще в таких случаях корректнее говорить о степени окисления). Представления о валентности не применимы для описания кластерных соединений, бороводородов, карборанов, π-комплексов, соединений благородных газов и многих других. Например, катионы щелочных металлов в комплексах с краун-эфирами проявляют валентность, намного превышающую их степень окисления.

Некорректным будет использование валентности для описания соединений с ионной кристаллической структурой. Так в кристалле хлорида натрия NaCl у каждого иона Na+ или Cl — центра элементарной ячейки — реальное число соседних ионов — координационное число — равно 6, а степень окисления — +1 и −1 соответственно. Локализованных же электронных пар вовсе нет.

В современной химии активно используется метод молекулярных орбиталей, в котором отсутствуют какие-либо аналоги понятия валентности атома. Между тем, понятие кратности химической связи наиболее близко к характеристике числа образуемых связей. Отождествление единичной связи с двухэлектронной молекулярной орбиталью возможно лишь в предельном, локализованном случае[5]. В квантовой химии аналога понятия валентности как характеристики атома в молекуле не существует, а используемое понятие спин-валентности относится к изолированному атому[7].

Ковалентность элемента (мера валентных возможностей элементов; ёмкость насыщения) определяется общим числом неспаренных электронов [валентных электронных пар[8]] как в нормальном, так и в возбуждённом состоянии атома, или, иначе говоря, число образуемых атомом ковалентных связей (углерод 2s22p2 II-ковалентен, а в возбуждённом состоянии C* 2s12p3 — IV-ковалентный; таким образом в CO и CO2 валентность составляет II или IV, а ковалентность — II и/или IV). Так, ковалентность азота в молекулах N2, NH3, Al≡N и цианамиде Ca=N-C≡N равна трём, ковалентность кислорода в молекулах H2O и CO2 — двум, ковалентность углерода в молекулах CH4, CO2 и кристалле C (алмаза) — четырём.

В классическом и/или пост-квантовохимическом представлении по электронным спектрам поглощения двухатомных молекул можно определять число оптических (валентных) электронов при данной энергии возбуждения[9]. Согласно этому методу, обратная величина тангенса угла наклона корреляционной прямой/прямых (при релевантных значениях молекулярных электронных термов, которые образованы относительными суммами атомных) соответствует числу пар валентных электронов, то есть валентности в её классическом понимании[10].

Между валентностью [стехиометрической] в данном соединении, мольной массой его атомов и его эквивалентной массой существует простое соотношение, непосредственно вытекающее из атомной теории и определения понятия «эквивалентная масса».

Стехиометрическая валентность [расчётная] элемента в данном соединении[11] равна молекулярной массе его атомов (в г/моль), делённой на эквивалентную массу элемента (в г/моль):

V=ME{\displaystyle V={\frac {M}{E}}}

V — Стехиометрическая валентность
M — Молекулярная масса (г/моль)
E — Эквивалентная масса (г/моль)
Так, стехиометрическая валентность углерода в CO 12 (г/моль) /6 (г/моль) = 2, а в CO2 12 /3 = 4.

В неорганической химии во многих случаях понятие валентности элемента теряет определённость: эта величина зависит от знания химического строения соединения, во многих случаях она может быть больше номера группы (таблицы ПСХЭ). В неорганической химии обычно применяется понятие степень окисления, а в органической химии — валентность, так как большинство неорганических веществ имеет немолекулярное строение, а органических — молекулярное. Нельзя отождествлять эти два понятия, даже если они численно совпадают. Широко применяется также термин «валентные электроны», то есть наиболее слабо связанные с ядром атома, чаще всего внешние электроны.

По валентности элементов можно составлять истинные формулы соединений, и, наоборот, исходя из истинных формул можно определять валентности элементов в данных соединениях. При этом необходимо придерживаться принципа, согласно которому произведение валентности одного элемента на число его атомов равно произведению валентности второго элемента на число его атомов. Так, чтобы составить формулу оксида азота (III), следует записать сверху над символом валентности элементов NIII{\displaystyle {\stackrel {III}{\mbox{N}}}} OII{\displaystyle {\stackrel {II}{\mbox{O}}}}. Определив наименьший общий знаменатель и разделив его на соответствующие валентности, получим атомное соотношение азота к кислороду, а именно 2 : 3. Следовательно, формула оксида азота (III) соответствует N+32O−23{\displaystyle {\stackrel {+3}{\mbox{N}}}_{2}{\stackrel {-2}{\mbox{O}}}_{3}}. Для определения валентности поступают таким же образом наоборот.

  1. ↑ Valence — Online Etymology Dictionary.
  2. Partington, J.R. A Short History of Chemistry (неопр.). — Dover Publications, Inc, 1989. — ISBN 0-486-65977-1.
  3. Frankland E. On a New Series of Organic Bodies Containing Metals. // Phil. Trans. 1852. Vol. 142. P. 417—444.
  4. ↑ Неорганическая химия / Б. Д. Степин, А. А. Цветков ; Под ред. Б. Д. Степина. — М.: Высш. шк., 1994. — С. 71—72
  5. 1 2 Валентность атомов в молекулах / Корольков Д. В. Основы неорганической химии. — М.: Просвещение, 1982. — С. 126
  6. ↑ Развитие учения о валентности. Под ред. Кузнецова В. И. М.: Химия, 1977. стр.19.
  7. Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. М.: Изд-во МГУ, 1965. Глава 3.
  8. ↑ в том числе в донорно-акцепторной связи
  9. ↑ Серов Н. В. Электронные термы простых молекул // Оптика и спектроскопия, 1984, Т.56, вып.3, с. 390—406.
  10. ↑ Ionov S.P. and Kuznetsov N.T. Excited and Ionized and States of h3 in Terms of the Structural Thermodynamic Model// Russian Journal of Inorganic Chemistry Vol. 50, No. 2, February 2005, pp. 233—237
  11. ↑ В предположении что Валентность неизвестна, но известны молекулярная масса и эквивалентная масса соединения.
  • Л. Паулинг Природа химической связи. М., Л.: Гос. НТИ хим. литературы, 1947.
  • Картмелл, Фоулс. Валентность и строение молекул. М.: Химия, 1979. 360 с.]
  • Коулсон Ч. Валентность. М.: Мир, 1965.
  • Маррел Дж., Кеттл С., Теддер Дж. Теория валентности. Пер. с англ. М.: Мир. 1968. (недоступная ссылка)
  • Развитие учения о валентности. Под ред. Кузнецова В. И. М.: Химия, 1977. 248с.
  • Валентность атомов в молекулах / Корольков Д. В. Основы неорганической химии. — М.: Просвещение, 1982. — С. 126.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о