Что такое переменная валентность в химии

Урок 6. Валентность

В уроке 6 «Валентность» из курса «Химия для чайников» дадим определение валентности, научимся ее определять; рассмотрим элементы с постоянной и переменной валентностью, кроме того научимся составлять химические формулы по валентности. Напоминаю, что в прошлом уроке «Химическая формула» мы дали определение химическим формулам и их индексам, а также выяснили различия химических формул веществ молекулярного и немолекулярного строения.

Вы уже знаете, что в химических соединениях атомы разных элементов находятся в определенных числовых соотношениях. От чего зависят эти соотношения?

Рассмотрим химические формулы нескольких соединений водорода с атомами других элементов:

Нетрудно заметить, что атом хлора связан с одним атомом водорода, атом кислорода — с двумя, атом азота — с тремя, а атом углерода — с четырьмя атомами водорода. В то же время в молекуле углекислого газа СО₂ атом углерода связан с двумя атомами кислорода. Из этих примеров видно, что атомы обладают разной способностью соединяться с другими атомами. Такая способность атомов выражается с помощью численной характеристики, называемой валентностью.

Валентность — численная характеристика способности атомов данного элемента соединяться с другими атомами.

Поскольку один атом водорода может соединиться только с одним атомом другого элемента, валентность атома водорода принята равной единице. Иначе говорят, что атом водорода обладает одной единицей валентности, т. е. он одновалентен.

Валентность атома какого-либо другого элемента равна числу соединившихся с ним атомов водорода. Поэтому в молекуле HCl у атома хлора валентность равна единице, а в молекуле H₂O у атома кислорода валентность равна двум. По той же причине в молекуле NH₃ валентность атома азота равна трем, а в молекуле CH₄ валентность атома углерода равна четырем. Если условно обозначить единицу валентности черточкой |, вышесказанное можно изобразить схематически:

Следовательно, валентность атома любого элемента есть число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента связан данный атом в химическом соединении.

Численные значения валентности обозначают римскими цифрами над символами химических элементов:

Определение валентности

Однако водород образует соединения далеко не со всеми элементами, а вот кислородные соединения есть почти у всех элементов. И во всех таких соединениях атомы кислорода проявляют валентность, равную двум. Зная это, можно определять валентности атомов других элементов в их бинарных соединениях с кислородом. (Бинарными называются соединения, состоящие из атомов двух химических элементов.)

Чтобы это сделать, необходимо соблюдать простое правило: в химической формуле вещества суммарные числа единиц валентности атомов каждого элемента должны быть одинаковыми.

Так, в молекуле воды H₂O общее число единиц валентности двух атомов водорода равно произведению валентности одного атома на соответствующий числовой индекс в формуле:

Так же определяют число единиц валентности атома кислорода:

По величине валентности атомов одного элемента можно определить валентность атомов другого элемента. Например, определим валентность атома углерода в молекуле углекислого газа СО₂:

Существует и другое соединение углерода с кислородом — угарный газ СО, в молекуле которого атом углерода соединен только с одним атомом кислорода:

Постоянная и переменная валентность

Как видим, углерод соединяется с разным числом атомов кислорода, т. е. имеет переменную валентность. У большинства элементов валентность — величина переменная. Только у водорода, кислорода и еще нескольких элементов она постоянна (см. таблицу).

Составление химических формул по валентности

Зная валентность элементов, можно составлять формулы их бинарных соединений. Например, необходимо записать формулу кислородного соединения хлора, в котором валентность хлора равна семи. Порядок действий здесь таков.

Записываем рядом символы элементов в следующем виде:

Затем находим НОК валентностей обоих элементов. Оно равно 12 ( IV·III ).

Определяем индексы каждого элемента:

Записываем формулу соединения: Si₃N₄.

В дальнейшем при составлении формул веществ не обязательно указывать цифрами значения валентностей, а необходимые несложные вычисления можно выполнять в уме.

Краткие выводы урока:

Надеюсь урок 6 «Валентность» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник

Химия

Именная карта банка для детей
с крутым дизайном, +200 бонусов

Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы

План урока:

Валентность

Представьте на минуточку, что атомы не могли бы соединяться между собой, какой вид имела бы планета, а вопрос: «Существовала ли вообще Солнечная система?» Именно благодаря тому, что атомы соединяются между собой, существуют вещества, а также и мы.

Вернёмся к деталям, мы их будем сравнивать с атомами, а их внешний вид, с количеством связей, которые они могут образовать.

Представим, что в нашем распоряжении есть вот такие детали.

Валентность элементов обусловлена количеством неспаренных электронов на внешнем уровне.

Они могут отличаться цветом, формой, однако их объединяет количество связей, которые они способны образовать. Иначе говоря, что щелочные металлы одновалентны.

Это правило срабатывает и для элементов II группы, только они будут иметь вид двойных деталей.

Как возможно Вы заметили, или вспомнили с темы строение атома, что высшая валентность определяется номером группы, но не всегда ей равна. Исключением с данного правила являются атомы элементов таких как азот, фтор и кислород.

Почему фтор, находясь в VII группе, имеет валентность постоянную равную единице. В то время, для других его родственников, она будет равнять I, III, V или даже VII.

Причины постоянной и переменной валентности

Для большинства элементов характерно иметь переменную валентность. Но для некоторых она будет постоянной. Некоторые элементы Вам уже известны, пополнит этот список кислород и цинк, которые всегда двухвалентны, алюминий имеет число связей III.

Расположение элементов в периодической таблице подсказывает, о количестве связей, которые могут они образовать.

Определение валентности элементов по формулам

На рисунке изображены молекулы известных Вам веществ: это аммиак NH₃, запах этого газа очень резкий и его трудно забыть, если хоть раз ощущали запах нашатырного спирта, с помощью его приводят людей в чувство после обморока.

Молекула Н₂О окружает нас повсюду. Во всех этих соединениях имеются атомы водорода, только в разных количествах. Давайте попробуем определить валентность по формуле вещества. Вспомним, что водород одновалентен. Если в аммиаке водорода насчитываем 3 атома, значит азот, условно, можем изобразить в виде такой детали.

Как видно с рисунка, он имеет валентность III. Поэтому принципу определим валентность углерода, приходим к выводу, что он четырёхвалентен.

Но не всегда мы видим структурные формулы, которые отображают связи между атомами, и не всегда имеем дело с одновалентными элементами. Возьмём, к примеру, вещество состава Р₂О₅. На два атома фосфора приходится 5 атомов кислорода. Постоянную валентность имеет кислород, которая равняется II. Чтобы определить, какую валентность будет иметь фосфор, необходимо выполнить следующие математические действия.

Встречаются такие соединения, где необходимо определить валентность остатков, входящих в состав кислот. Например, вещество состава Mg₃(PO₄)₂.

Выполним согласно алгоритму. Магний всегда двухвалентен.

Искомая валентность кислотного остатка равна III. Следует заметить, что в веществе всегда находиться элемент, который проявляет постоянную валентность.

При написании уравнений реакций возникает необходимость составления формул веществ. Рассмотрим реакцию обмена между оксидом алюминия и соляной кислотой.

В результате обмена образуется два вещества состава AlCl и НО. Чтобы определить количественный состав в веществах, воспользуемся следующим алгоритмом.

Составление химических формул по валентности

Уравнение приобретает вид

Обратите внимание, что количество атомов отличается в реагентах и продуктах, его необходимо уравнять.

Составим формулы веществ по валентности элементов.

Немаловажную роль наравне с валентностью играет такое понятие как степень окисления (СО).

Термин валентность применим для соединений, имеющих молекулярное строение. Но, как известно, ещё существуют вещества ионного строения, которые образуются за счёт электростатического притяжения между разноимёнными зарядами. Каким образом они образуются? Чтобы ответить на данный вопрос, вспомним об электроотрицательности.

При образовании вещества, одни атомы будут отдавать свои электроны, другие – принимать. Рассмотрим на примере соединений молекулярного строения Cl₂, HCl и ионного NaCl.

Обратите внимание, что вещества молекулярного строения, имеют структурную формулу, соединение атомов между собой показывается в виде черты – между ними. Для веществ имеющих строение, отличающее от молекулярного, более применимо понятие степени окисления, которое имеет универсальное применение для всех типов веществ.

А вот какую степень окисления имеет простое вещество. Атомы равноценные партнёры, поэтому она будет нулевая.

Правила определения степени окисления

Подобно валентности, для определённых элементов свойственна постоянная степень окисления. Это металлы, которые отличаются малым количеством электронов внешнего слоя. Отличительной характеристикой их будет невозможность иметь отрицательный заряд, поскольку они ВСЕГДА отдают электроны.

Все эти значения вытекают с периодической системы, которая помогает определить степени окисления элементов.

С таблицы видно, что для большинства элементов эта величина не постоянная.

Чтобы вычислить степень окисления элементов в соединениях, будем руководствоваться следующими правилами.

Как бы то ни было, природа не ограничивается бинарными соединениями. Существует множество веществ состоящих из 2 и более элемента. Впрочем вычисление совсем не отличается, первоначально определяем элементы, имеющие постоянную степень окисления, а дальше проделав нехитрые математические действия находим СО для остальных. Главное правило, чтобы вещество было нейтральным, количество плюсов должно равняться количеству минусов.

К примеру, в веществе H₂SO₃ самым электроотрицательным является кислород, он заберёт электроны как в водороде, так и в серы, вследствие этого имеет отрицательную СО, а Hи Sстанут положительными. В этом соединение имеются 2 элемента, имеющих известную СО – это Н и О.

Обратите внимание, на нахождение СО в кислотном остатке. В данном случае, мы приравниваем не к 0, а к заряду аниона.

Здесь у серы х внизу

Источник

Как определить валентность по таблице Менделеева и как она изменяется

Что такое валентность

Валентность – способность атома элемента образовывать связь с другими атомами за счёт электронов, находящихся на внешнем энергетическом уровне.

Любой элемент состоит из атома, в центре которого находится положительно заряженное ядро. Заряд ядра соответствует порядковому номеру элемента в периодической таблице. Он всегда положителен, так как количество протонов превышает количество нейтронов.

Вокруг ядра движутся на разном расстоянии от ядра отрицательно заряженные электроны. Их количество также соответствует порядковому номеру элемента. Самый последний уровень занимают валентные электроны. Из-за большого расстояния от ядра они теряют с ним связь и легко спариваются с внешними электронами другого атома. За счёт образовавшейся ковалентной связи формируется новое вещество, состоящее из нескольких атомов.

Рис. 1. Строение атома углерода.

Количество электронов на внешнем уровне определяет валентность элемента и, соответственно, количество возможных химических связей.

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.

В чем отличие валентности и степени окисления

Валентность и степень окисления не являются равнозначными понятиями, хоть их числовое значение может совпадать.

Валентность используется для определения числа химических связей атома, причем как полярных, так и неполярных.

Степень окисления используется для выражения значения электрического заряда, сосредоточенного на атоме.

Какие бывают характеристики у валентности элементов?

Все вещества, которые обладают валентностью, характеризуются тем, что она у них или постоянна (во всех связях), либо переменная. Постоянная валентность – характеристика очень небольшой группы веществ (водорода, фтора, натрия, калия, кислорода и др. Намного больше в мире атомов, которые обладают переменной валентностью. В разных реакциях, взаимодействуя с разными атомами, они становятся разновалентными. Например, азот в соединении NH3 имеет валентность – III, так как связан с тремя атомами, а в природе он бывает с валентность от одного до четырех. Еще раз повторю, что разная валентность – более распространенное явление.

Влияние валентности элементов в химических реакциях.

Даже того как ученые узнали, что атом — это не мельчайшая частица в мире, они уже оперировали этим понятием. Они понимали, что есть внутренний фактор, который влияет на протекание химической реакции различных веществ. Из-за того, что ученые по-разному видели строение молекулы, понятие «валентность элемента» пережило несколько метаморфоз.

Валентность вещества определяется количеством внешних электронов атома. Каким количеством электронов атом обладает, столько максимально соединений он способен совершить. Таким образом «валентность» подразумевает собою число электронных пар атомов.

Хотя электронная теория появилась намного позже, после «разделения» атома на более мелкие частицы, до этого ученые все равно вполне успешно определяли валентность в большинстве случаев. Удавалось им это благодаря химическому анализу веществ.

Это была тяжелая работа: прежде всего, требовалось определить массу элемента в чистом виде. Далее, с помощью химического анализа, ученые определяли каков состав соединения, и только потом могли высчитать, сколько атомов содержит в себе молекула вещества.

Этот метод все еще используется, но не является универсальным. Так удобно определять элемент в простом соединении веществ. Например, с одновалентным водородом, или двухвалентным кислородом.

Но уже при работе с кислотами метод не особо удачный. Нет, мы можем частично использовать его, например, при определении валентности соединений кислотных остатков.

Выглядит это так: используя знание, что валентность кислорода всегда равна двум, мы можем с легкостью высчитать валентность всего кислотного остатка. Например, в H2SO3 валентность SO3 – I, в HСlO3 валентность СlO3 – I.

Как определить валентность элемента

Для этого существует несколько методов. Первый и самый простой способ — это просто обратиться к периодической таблице Менделеева. Элементы распределены по группам, их 8. В каждой группе они имеют одинаковую валентность. Например, все элементы в группе 8 имеют восемь электронов (высокая стабильность).

Второй метод — посмотреть на общее количество электронов, а затем вычислить их число по атомному номеру. Как только вы узнаете количество электронов, вы можете легко вычислить валентность. Все атомы, кроме водорода, имеют два электрона в первой электронной оболочке и до восьми в каждой последующей. Например, атомный номер хлора равен 17, что делает конфигурацию электронов равной:

То есть валентность хлора равна 7. Кислород имеет восемь электронов, два в первой оболочке и шесть во внешних оболочках, давая ему число 2. Вы можете рассчитать многоэлементные молекулы таким же образом. Например, чтобы определить тетраоксид фосфора, вы должны умножить атомы кислорода (валентность 2) и вычесть из валентности фосфора 5, получив число 3.

Ознакомьтесь с электронной конфигурацией каждого уровня оболочки. Каждый атом имеет два электрона на своей внутренней оболочке и до восьми электронов на каждой оболочке. Например, поскольку литий имеет три электрона, он будет иметь два внутри и один электрон на своей внешней оболочке.

Определение по таблице Менделеева

Таблица Менделеева позволяет с легкостью определять основность элементов. Для этого нужно уметь читать периодическую таблицу. Таблица по вертикали имеет восемь групп, а по горизонтали располагаются периоды. Если период состоит из двух рядов, то его называют большим, а если из одной — малым. Элементы по вертикали в столбцах, в группах распределены неравномерно. Валентность всегда обозначается римскими цифрами.

Чтобы определить валентность, нужно знать, какая она бывает. У металлов главных подгрупп она всегда постоянная, а у неметаллов и металлов побочных подгрупп может быть переменной.

Постоянная равна номеру группы. Переменная может быть высшей и низшей. Высшая переменная равна номеру группы, а низкая высчитывается по формуле: восемь минус номер группы. При определении нужно помнить:

Если соединение имеет атом водорода или кислорода, то определить его валентность не составляет труда, особенно если перед нами гидрид или оксид.

Формула и алгоритм

Самая меньшая валентность у тех элементов, которые расположены правее и выше в таблице. И, наоборот, если элемент ниже и левее, то она будет выше. Чтобы определить ее, необходимо следовать универсальному алгоритму:

Пример: возьмем соединение аммиака — NH3. Нам известно, что у атома водорода валентность постоянная и равна I. Умножаем I на 3 (количество атомов) — наименьшее кратное — 3. У азота в этой формуле индекс равен единице. Отсюда вывод: 3 делим на 1 и получаем, что у азота она равна IIII.

Величину по водороду и кислороду всегда определять легко. Сложнее, когда ее необходимо определять без них. Например, соединение SiCl4. Как определить валентность элементов в этом случае? Хлор находится в 7 группе. Значит, его валентность либо 7, либо 1 (восемь минус номер группы). Кремний находится в четвертой группе, значит, его потенциал для образования связей равен четырем. Становится логично, что хлор проявляет в этой ситуации наименьшую валентность и она равна I.

В современных учебниках химии всегда есть таблица валентности химических элементов. Это существенно облегчает задачу учащимся. Тему изучают в восьмом классе — в курсе неорганической химии.

Современные представления

Современные представления о валентности базируются на строении атомов. Атом состоит из ядра и вращающихся на орбиталях электронах.

Само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые определяют атомный вес. Для того чтобы вещество было стабильным, его энергетические уровни должны быть заполнены и иметь восемь электронов.

При взаимодействии элементы стремятся к стабильности и либо отдают свои неспаренные электроны, либо принимают их. Взаимодействие происходит по принципу «что легче» — отдать или принять электроны. От этого также зависит то, как изменяется валентность в таблице Менделеева. Количество неспаренных электронов на внешней энергетической орбитали равно номеру группы.

В качестве примера

Щелочной металл натрий находится в первой группе периодической системы Менделеева. Это значит, что у него один неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне. Хлор находится в седьмой группе. Это значит, что у хлора есть семь неспаренных электронов. Для завершения энергетического уровня хлору не хватает ровно одного электрона. Натрий отдает ему свой электрон и становится стабильным в соединении. Хлор же получает дополнительный электрон и тоже становится стабильным. В итоге появляется связь и прочное соединение — NaCl — знаменитая поваренная соль. Валентность хлора и натрия в этом случае будет равна 1.

Правило октета

При определении атома или молекулы (для которой вы не можете использовать периодическую таблицу), химики используют правило октета. Согласно этому правилу, атомы и химические вещества объединяются таким образом, чтобы образовать восемь электронов во внешней оболочке любого соединения, которое они образуют. Когда атом или молекула имеет от одного до четырех электронов в своей внешней оболочке, он имеет положительную валентность, то есть он жертвует свои свободные электроны. Когда число электронов составляет:

— вы определяете его способности путем вычитания электронного числа из 8. Это потому, что атом или молекула легче принимает электроны для достижения стабильности.

Определение зависимости от химических формул

Вы можете определить переходный элемент или радикал в конкретном соединении, заметив, как он сочетается с элементами известной валентности. Эта стратегия основана на правиле октета, которое говорит нам о том, что элементы и радикалы объединяются, чтобы создать стабильную внешнюю оболочку из восьми электронов.

Например, железо (Fe) представляет собой переходный металл, который может проявлять множественные валентности. Когда он сочетается с сульфатным радикалом с образованием сульфата железа, FeSO4, он должен иметь +2 поскольку сульфатный радикал, определяется по связи, которую он образует с водородом.

Необычные способы определения валентности элементов.

Есть и более нестандартные, но интересные способы определения валентности вещества. Если хорошо знать свойства элемента, то определить валентность можно даже визуально. Например, медь. Ее оксиды будут красными и черными, а гидроксиды – желтыми и синими.

Элементы, имеющие несколько значений валентности

Значение валентности зависит от состояния атома — обычного или возбужденного.

Не все атомы химических элементов могут переходить в возбужденное состояние. По этому признаку они делятся на химические элементы с переменной и постоянной валентностью.

Постоянная валентность наблюдается у щелочных, щелочноземельных металлов, водорода, кислорода, фтора и алюминия.

Все остальные химические элементы обладают переменной валентностью, обусловленными существованием как возбужденных, так и обычных (стационарных) состояний.

Таблица валентности химических элементов.

Чего не указано в таблице валентности, это то, что валентность элемента может быть постоянной и переменной.

Знание валентности элементов необходимы для правильного составления химических формул соединений.

Источник