Валентность углерода (C), формулы и примеры

Общие сведения о валентности углерода

В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующегося в кубической и гексагональной (лонсдейлит) системе, и графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие формы углерода, как древесный уголь, кокс или сажа имеют неупорядоченную структуру. Также есть аллотропные модификации, полученные синтетическим путем – это карбин и поликумулен – разновидности углерода, построенные из линейных цепных полимеров типа …-C≡ C-C≡C-… или  .. = C = C = C = C = ….

Известны также аллотропные модификации углерода, имеющие следующие названия: графен, фуллерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, стеклоуглерож, колоссальные нанотрубки; аморфный углерод, углеродные нанопочки и углеродная нанопена.

В природе углерод находится в виде двух стабильных изотопов ¹²С (98,892%) и ¹³С (1,108%).

Валентность углерода в соединениях

Углерод — шестой по счету элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится во втором периоде во IVA группе. В ядре атома углерода содержится 6 протонов и 6 нейтронов (массовое число равно 12). В атоме углерода есть два энергетических уровня, на которых находятся 6 электронов (рис. 1).

Рис. 1. Строения атома углерода.

Электронная формула атома углерода в основном состоянии имеет следующий вид:

1s²2s²2p².

А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):

Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что углерод проявляет валентность II в своих соединения (C^IIO).

В атоме углерода есть 1 вакантная орбиталь 2p-подуровня. За счет её наличия электроны 2s-подуровня могут распариваться и один из них совершает переход и занимает свободную 2p-орбиталь, т.е. для углерода характерно возбужденное состояние.

Наличие четырех неспаренных электронов свидетельствует о том, что углерод в своих соединениях (C

IVO₂, C^IVH₄, H₂C^IVO₃ и др.) проявляет валентность равную IV.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Валентность и степень окисления — Подготовка к ЕГЭ по химии

Валентность —

— это способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами.

 

Правила определения валентности

1. В молекулах простых веществ: H₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ равна единице.

2. В молекулах простых веществ: O₂, S₈ равна двум.

3. В молекулах простых веществ: N₂, P₄ и CO — оксиде углерода (II) — равна трем.

4. В молекулах простых веществ, которые образует углерод (алмаз, графит), а также в органических соединениях, которые он образует, валентность углерода равна четырем.

5. В составе сложных веществ водород одновалентен, кислород, в основном, двухвалентен. Для определения валентности атомов других элементов в составе сложных веществ надо знать строение этих веществ.

 

Степень окисления

– это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (с ионной и ковалентной полярной связью) состоят только из ионов.

 

Высшая степень окисления элемента равна номеру группы.

Исключения:

фтор высшая степень окисления ноль в простом веществе F₂⁰

кислород высшая степень окисления +2 во фториде кислорода О

+2F₂

Низшая степень окисления элемента равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые атом элемента может принять до завершенного восьми электронного уровня)

 

Правила определения степени окисления (далее обозначим: ст.ок.)

Общее правило: Сумма всех степеней окисления элементов в молекуле с учетом количества атомов равна нулю (Молекула электронейтральна.), в ионе  — равна заряду иона.

 

I. Степень окисления простых веществ равна нулю: Са⁰, O₂⁰, Cl₂⁰ 

 

II. ст.ок. в бинарных cоединениях:

Менее электроотрицательный элемент ставится на первое место. (Исключения: С

-4Н₄⁺ метан и N^-3H₃⁺аммиак)

Нужно помнить, что

— ст.ок. металла всегда положительна

— ст.ок. металлов I, II, III групп главных подгрупп постоянна и равна номеру группы

Для остальных ст.ок. вычисляется по общему правилу.

 

Более электроотрицательный элемент ставится на второе место, его ст.ок. равна восемь минус номер группы (по числу электронов, которые он принимает до завершенного восьми электронного уровня).

Исключения: пероксиды, например, Н₂⁺¹О₂^-1, Ba⁺²O₂^-1 и др. ; карбиды металлов I и II групп Ag₂⁺¹C₂^-1, Ca⁺²C₂^-1 и др. (В школьном курсе встречается соединение FeS₂ — пирит. Это дисульфид железа. Степень окисления серы в нем (-1) Fe

+2S₂^-1). Это происходит потому, что в этих соединениях есть связи между одинаковыми атомами -О-О-, -S-S-, тройная связь в карбидах между атомами углерода. Степень окисления и валентность элементов в этих соединениях не совпадают: у углерода валентность IV, у кислорода и серы II.

 

III. Степень окисления в основаниях Ме⁺ⁿ(ОН)_nравна количеству гидроксогрупп.

1. в гидроксогруппе ст.ок. кислорода -2, водорода +1, заряд гидроксогруппы 1-

2. ст.ок. металла равна количеству гидроксогрупп

 

IV. Степень окисления в кислотах:

1. ст.ок. водорода +1,  кислорода -2

2. ст.ок. центрального атома вычисляется по общему правилу путем решения простого уравнения

Например, Н₃⁺¹Р^хО₄^-2

3∙(+1) + х + 4∙(-2) = 0

3 + х – 8 = 0

х = +5 (не забудьте знак +)

 

Можно запомнить, что у кислот с высшей ст.ок. центрального элемента, соответствующего номеру группы, название будет заканчиваться на  –ная:

Н₂СО₃угольная Н₂С⁺⁴О₃

Н₂SiО₃ кремниевая (искл.) Н₂Si⁺⁴О₃

НNО₃ азотная НN⁺⁵О₃

Н₃PО₄ фосфорная Н₃P⁺⁵О₄

Н₂SО₄ серная Н₂S⁺⁶О₄

НСlО₄ хлорная НCl⁺⁷О₄

НMnО₄ марганцовая НMn⁺⁷О₄

Останется запомнить:

НNО₂ азотистая НN⁺³О₂

Н₂SО₃ сернистая Н₂S⁺⁴О₃

НСlО₃ хлорноватая НCl⁺⁵О₃

НСlО₂ хлористая НCl⁺³О₂

НСlОхлорноватистая НCl⁺¹О

 

V. Степень окисления в солях

у центрального атома такая же, как в кислотном остатке. Достаточно помнить или определить ст.ок. элемента в кислоте.

 

VI. Степень окисления элемента в сложном ионе равна заряду иона.

Например, NH₄⁺Cl^— : записываем ион N^хН₄⁺¹

х + 4∙(+1) = +1

х= — 3;

ст.ок. азота -3

 

Например, определить ст.ок. элементов в гексацианоферрате(III) калия К

3[Fe(CN)₆]

— у калия +1 : К₃⁺¹[Fe(CN)₆], отсюда заряд иона [Fe(CN)₆] ^3-

— у железа +3 (указано в названии) [Fe⁺³(CN)₆] ^3-, отсюда (CN)₆^6-

— у одной группы (CN)^—

— более электроотрицательный азот: у него -3, отсюда (C^хN^-3)^—

х – 3 = — 1

х = +2

ст.ок. углерода +2

 

VII. Степень окисления углерода в органических соединениях разнообразна и вычисляется, исходя из учета того, что ст.ок. водорода равна +1, кислорода -2

Например, С₃Н₆

3∙х + 6∙1 = 0

3х = -6

х = -2

ст.ок. углерода -2 (при этом валентность углерода равна IV)

Задание. Определить степень окисления и валентность фосфора в фосфорноватистой кислоте H3PO2.

Вычислим степень окисления фосфора.

Обозначим её за х. Подставим степень окисления водорода +1, а кислорода -2, умножив на соответствующее количество атомов: (+1) ∙ 3 + х + (-2) ∙ 2 = 0, отсюда х = +1.

school4eg.jimdo.com

Как расставлять степени окисления в органических соединениях?.

Степени окисления в органических соединениях требуется уметь расставлять для решения заданий ЕГЭ по химии, в которых дается цепочка превращений органических веществ, часть из которых неизвестна. На данный момент это задания номер 32.

Для определения степени окисления в органических соединениях существует два метода. Суть их одинакова, но выглядят применение данных методов по-разному.

Первый способ я бы назвал методом блоков.

Метод блоков

Берем органическую молекулу, например, такого вещества, как 2-гидроксипропаналь

и изолируем друг от друга все фрагменты молекулы, содержащие по одному атому углерода следующим образом:

Суммарный заряд каждого такого блока принимаем равным нулю, как у отдельной молекулы. В органических соединениях водород всегда имеет степень окисления, равную +1, а кислород — -2. Обозначим степень окисления атома углерода в первом блоке переменной х. Таким образом, мы можем найти степень окисления первого атома углерода, решив уравнение:

x + 3∙(+1) = 0, где x – степень окисления атома углерода, +1 – степень окисления атома водорода, а 0 – заряд выбранного блока.

Решаем далее:

x + 3 = 0, отсюда x = -3.

Таким образом, степень окисления атома углерода в первом блоке равна -3.

Во второй блок, помимо одного атома углерода и двух атомов водорода, входит также и атом кислорода, который, как мы уже сказали, имеет в органических соединениях практически всегда степень окисления, равную -2. Как и в первом случае, обозначим степень окисления атома углерода второго блока через х, тогда получим следующее уравнение:

x+2∙(+1)+(-2) = 0, решая которое находим, что х = 0. Т.е. степень окисления второго атома углерода в молекуле равна нулю.

Третий блок состоит из одного атома углерода, одного атома водорода и одного атома кислорода. Аналогично составим уравнение:

x +1∙(-2)+ 1 = 0, отсюда х, то есть степень окисления атома углерода в третьем блоке равна +1.

Второй метод расстановки степеней окисления в органических веществах я называю «метод стрелок».

Метод стрелок

Для того, чтобы его использовать, нужно нарисовать сначала развернутую структурную формулу органического вещества:

Под черточками между символами элементов понимают их общие электронные пары, которые между одинаковыми атомами можно считать распределенными поровну, а между разными – смещенными к одному из атомов, обладающему большей электроотрицательностью. Среди трех элементов С, Н и О наибольшую элетроотрицательность имеет кислород, затем углерод, а самое малое значение электроотрицательности у водорода. Поэтому, если показать стрелочкой смешение электронов в сторону более электроотрицательных атомов, мы получим следующую картинку:

Как можно заметить, между атомами углерода мы не стали рисовать стрелку, оставив обычную черточку, поскольку считается, что общая электронная пара между двумя атомами углерода практически не смещена ни к одному из них.

Будет интерпретировать последний рисунок следующим образом: каждый атом, из которого стрелка исходит, «теряет» один электрон, а каждый атом, в который стрелка входит, «принимает» электрон. При этом помним, что заряд электрона отрицателен и равен -1.

Таким образом, первому атому углерода достается от трех атомов водорода по одному электрону (три входящих стрелки), в результате чего он приобретает условный заряд, т.е. степень окисления, равную -3, а каждый атома водорода — +1 (по одной исходящей стрелке).

Второму атому углерода достается от «верхнего» атома водорода один электрон (стрелка от H к С), и еще один электрон атом углерода «теряет», передавая его атому кислорода (стрелка от С к О). Таким образом, в атом углерода «входит» один электрон и один из него «выходит». Поэтому степень окисления второго атома углерода равна 0, как в отдельном атоме.

К атому кислорода направлены две стрелки, значит, он имеет степень окисления, равную -2, а от всех атомов водорода исходит по одной стрелке. То есть степень окисления всех атомов водорода равна +1.

В последний атом углерода входит одна стрелка от Н и исходит две стрелки к О, таким образом, «входит» один электрон и «выходят» два. Значит, степень окисления равна +1.

Нужно отметить, что на самом деле оба описанных метода весьма условны, как, собственно, и условно само понятие «степень окисления» в случае органических веществ. Тем не менее, в рамках школьной программы данные методы вполне справедливы и, главное, позволяют использовать их при расстановке коэффициентов в реакциях ОВР с органическими веществами. Лично мне нравится больше метод «стрелок». Советую усвоить оба метода: одним из них вы можете определять степени окисления, а вторым — убедиться в правильности полученных значений.

scienceforyou.ru

Валентность | CHEMEGE.RU

Валентность — это способность атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других химических элементов.

Ковалентные связи могут образовываться по обменному и донорно-акцепторному механизмам.

Обменный механизм образования ковалентной связи — в образовании связи участвуют одноэлектронные атомные орбитали, т.е. каждый из атомов предоставляет по одному неспаренному электрону.

Донорно-акцепторный механизм — образование связи происходит за счет электронной пары одного из атомов (атом-донор) и вакантной орбитали другого атома (атом-акцептор):

Таким образом, атомы могут образовывать химическую  связь не только за счет неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне, но и за счет неподеленных электронных пар, или свободных орбиталей на этом уровне.

Большинство элементов характеризуются высшей, низшей или промежуточной валентностью в соединениях. 

Для большинства элементов высшая валентность, как правило, равна номеру группы, низшая валентность определяется по формуле: 8 — № группы. Промежуточная валентность – это число между низшей и высшей валентностями.

Например, высшая валентность хлора равна VII, низшая валентность хлора равна I, промежуточные валентности — III, V.

Обратите внимание! Степень окисления и валентность — это не одно и то же. Хотя иногда степени окисления совпадают с валентностями. Стпень окисления — это условный заряд атома, он может быть и положительным и отрицательным. А вот образовать отрицательное число связей атом никак не может.

Например, валентность (число связей) атома кислорода в молекуле O₂ равна II, а вот степень окисления атома кислорода равна 0.

Большинство элементов проявляют переменную валентность в соединениях, но некоторые элементы проявляют постоянную валентность. Их необходимо запомнить:

Элемент	Валентность
Фтор F	I
Кислород О	II
Металлы IA группы  (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)	I
Металлы IIA группы (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)	II
Алюминий Al	III

 

Как определить валентность атома в соединении?

---

Рассмотрим валентные возможности атомов второго периода. В силу некоторых ограничений они не соответствуют традиционным «школьным» представлениям.

Итак, не внешнем энергетическом уровне лития 1 неспаренный электрон: 1s²2s¹.

+3Li 1s²  2s¹ 

Следовательно, литий может образовывать одну связь и валентность лития I.

---

У бериллия на внешнем энергетическом уровне 2 электрона: 1s²2s².

+4Be 1s²  2s² 

В возбужденном состоянии возможен переход электронов внешнего энергетического уровня с одного подуровня на другой: 1s²2s¹2p¹. 

+4Be^* 1s²  2s¹  2p¹

Таким образом, на внешнем энергетическом уровне бериллия в возбужденном энергетическом состоянии  есть 2 неспаренных электрона и две ваканнтные электронные орбитила. Следовательно, бериллий может образовать 2 связи по обменному механизму, т.е. валентность бериллия равна номеру группы  и равна II.

Например, в хлориде бериллия валентность бериллия равна II:

Однако, на внешнем энергетическом уровне атома бериллия остаются еще 2 вакантные энергетические орбитали. Следовательно, бериллий может образовывать еще связи по донорно-акцепторному механизму, выступая в качестве акцептора двух электронных пар. Таким образом, максимальная валентность бериллия равна IV. 

Например, соединения бериллия растворяются в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса – тетрагидроксобериллата натрия Na₂[Be(OH)₄]. Валентность бериллия в этом соединении равна IV. Связи между центральным атомов бериллия и гидроксид-ионами образованы по донорно-акцепторному механизму.

---

Ээлектронная конфигурация атома бора в основном состоянии +5B 1s²2s²2p¹:

+5B 1s²  2s²  2p¹

В возбужденном состоянии: +5B^* 1s²2s¹2p².

+5B 1s²  2s¹  2p²

Следовательно, бор может образовывать 3 связи по обменному механизму (за счет неспаренных электронов). Валентность бора в соединениях — III.

Например, в трихлориде бора BCl₃ валентность бора равна III.

Однако, при этом у бора остается еще одна вакантная электронная орбиталь. Следовательно, бор может выступать, как акцептор электронной пары, и образует еще одну связь по донорно-акцепторному механизму.

Таким образом, бор может проявлять валентность IV.

 

и еще 1 связь за счет вакантной орбитали на p-подуровне по донорно-акцепторному механизму. Максимальная валентность бора равна IV. Однако чаще мы встречаем валентность бора III. Таким образом, простейший анализ строения внешнего энергетического уровня позволяет определить валентные возможности атома.

У атома углерода в возбужденном состоянии на внешнем энергетическом уровне 4 неспаренных электрона: 1s²2s¹2p³, следовательно, максимальная валентность углерода равна IV (как правило, в органических соединениях у углерода именно такая валентность). В основном состоянии у атома углерода 2 неспаренных электрона, и валентность II. Однако посмотрим внимательно: у атома углерода в основном состоянии не внешнем энергетическом уровне есть незанятая (вакантная) электронная орбиталь. Следовательно, он может образовывать еще одну связь — по донорно-акцепторному механизму. Таким образом, в некоторых случаях углерод может проявлять валентность III (например, молекула угарного газа CO, строение которой мы рассмотрим позднее).

Валентные возможности атома азота определяются также строением его внешнего энергетического уровня. В основном состоянии электронная формула азота: +7N 1s²2s²2p³.  За счет 3 неспаренных электронов на p-подуровне азот может образовывать 3 связи по обменному механизму (валентность III), и еще 1 связь азот может образовать по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной электронной пары. Таким образом, максимальная валентность атома азота в соединениях — IV. На примере азота можно убедиться, что высшая валентность атома и максимальная степень окисления — разные величины, которые далеко не всегда совпадают. Возбужденное состояние с 5 неспаренными электронами для атома азота не реализуется, т.к. на 2 энергетическом уровне есть только s и p  орбитали.

 

 

 

Поделиться ссылкой:

chemege.ru