- § 1.6. валентность элементов. структурные формулы веществ.
- В органических соединениях валентность углерода, водорода и кислорода равны…
- Валентность
- Валентность и кислоты
- Валентность и электронная теория
- Валентные возможности атома водорода
- Валентные возможности атома кислорода
- Валентные возможности атома серы
- Валентные возможности атома углерода
- Валентные возможности фосфора
- Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?
- Элементы, проявляющие постоянную со
- Значение постоянной со этого элемента
- Постоянная и переменная валентность
- Пример 1
- Решение:
- Составление химических формул по валентности
- Степень окисления
- Таблица валентности химических элементов
- Характеристики валентности
- Электроотрицательность
- Заключение
§ 1.6. валентность элементов. структурные формулы веществ.
В предыдущей главе, вы уже могли заметить, что атомы, группируясь друг с другом, не обязательно образуют двухатомные молекулы, т.е. соединяются в соотношении один к одному. В молекуле воды, например, к одному атома кислорода прикрепляется два атома водорода. Количество связей, которые атом химического элемента образует с другими атомами, называется его валентностью.
Обозначается валентность римскими цифрами — I,II, III и т.д. в соответствии со своим значением. Давайте в качестве примера рассмотрим такие соединения как хлороводород HCl, воду Н2О, аммиак NH3 и метан CH4. Смотри рисунок 7.
Рисунок 7. Трехмерные модели молекул HCl (a), H2O (б), NH3 (в) и CH4 (г)
Если схематично изобразить строение этих молекул, обозначая атомы химических элементов соответствующими им символами, а связь между ними отрезком,
получаются формулы следующего вида, называемые структурными:
Рисунок 8. Структурные формулы молекул хлороводорода, воды, аммиака и метана соответственно
Из представленных на рисунке ХХ структурных формул можно сделать вывод о том, что валентность водорода и хлора равна I, кислорода II, азота — III, углерода -IV.
Валентность химических элементов в соединениях принято указывать надстрочным индексом справа от символа химического элемента, либо над ним, как, например, это сделано ниже:
Для некоторых элементов характерна постоянная валентность, то есть в соединениях их валентность равна всегда одному и тому же числу.
Так, например, постоянная валентность, равная единице, наблюдается для ряда металлов, называемых щелочными — лития, натрия, калия, рубидия и цезия, Постоянная валентность, равная двум, наблюдается у кислорода, магния, кальция, стронция, бария, цинка. Постоянная валентность равная трем наблюдается у алюминия Al.
Элементы с переменной валентностью — это элементы, которые в разных соединениях могут иметь различные значения валентности. Следовательно, атомы этих элементов в разных соединениях могут образовывать различное число химических связей (таблица 2).
Таблица 2. Наиболее характерные значения валентности некоторых элементов
Химические элементы | Их основные валентности |
Cl, Br, I | I, III, V, VII |
S, Se | II, IV, VI |
C, Si, Sn, Pb | II, IV |
P | III, V |
Cu | I, II |
Fe | II, III |
Cr | II, III, VI |
Часто в определении валентности таких элементов в каждом отдельном случае может помочь так называемое правило валентности, согласно которому, в соединениях, образованных только двумя химическими элементами практически всегда произведение валентности одного химического элемента на количество его атомов в молекуле равно произведению валентности на количество атомов в молекуле второго элемента. Другими словами для вещества формулу которого в общем виде можно записать как AxBy с валентностями элементов А и В равными n и m соответсвенно, справедливо выражение:
X*n = y*m
Давайте в качестве примера установим валентность серы в соединениях SO2 (диоксид серы) и Al2S3 (сульфид алюминия). Как уже было сказано выше, кислород и алюминий являются элементами с постоянными валентностями. Для кислорода валентность во всех его соединениях равна двум, а алюминия трем.
Рассчитаем валентность серы в диоксиде серы обозначив ее как «х»:
Аналогично рассчитаем валентность серы в сульфиде алюминия:
Следует отметить, что правило валентности не применимо для некоторых соединений, в которых есть связи между атомами одного химического элемента. В частности, нельзя использовать правило валентности в случе такого соединения как перекись водорода поскольку его структурную формулу можно записать как Н-О-О-Н, то есть в каждой молекуле данного соединения есть связь кислород-кислород.
Очевидно, что правило валентности может быть использовано не только для нахождения валентности какого-либо элемента, но также и для составления формулы соединения, если известны валентности образующих его элементов.
Рассмотрим в качестве примера следующую задачу:
«Определите формулу соединения образованного атомами хлора и кислорода, если валентность хлора в данном соединении VII »
Решение:
Кислород имеет только одно значение валентности, равное двум, соответственно можем записать:
Наименьшее общее кратное (НОК) чисел 7 и 2 равно 14.
Индекс, относящийся к хлору, будет равен х = 14:7 = 2,
Индекс, относящийся к кислороду, будет равен y = 14:2 = 7.
Т.е. искомая формула Cl2O7.
Следует отметить тот факт, что в большинстве сложных веществ атомы одного химического друг с другом не связаны, например:
Рисунок 9. Структурные формулы молекул фосфорной кислоты, фосфина, серной кислоты и оксида хлора (VII)
В органических соединениях валентность углерода, водорода и кислорода равны…
В органических соединениях валентность углерода, водорода и кислорода равны соответственно:
а) 2, 4, 1 б) 4, 1, 2 в) 2, 1, 2 г) 6, 1, 2
Углеводород CH2 = CH – C(CH3)3 относят к гомологическому ряду, общая формула к
о
торого
a) CnH2n б) CnH2n-2 в) CnH2n 2 г) CnH2n-6
Название алкана с углеродной цепью
CH2 – CH – CH – CH2 – CH – CH3
||||
CH3 CH3 CH3 CH3
a) 2,3,5 – триметилгексан в) 1,2,3,5 – тетраметилгексан
б) 2,4,5 – триметилгептан г) 2,4,5,6 – тетраметилгексан
Тритичный атом углерода соединен с тремя
а) атомами водорода в) функциональными группами
б) атомами углерода г) углеводородными радикалами
В молекуле бутана каждый атом углерода находится в состоянии гибридизации
а) sp2 б) sp3d2 в) sp3 г) sp
Метил, этил, винил – это…
а) радикалы б) функциональные группы в) изомеры г) гомологи
Соединения пентан и 2,2-диметилпропан это
а) одно и то же вещество в) геометрические изомеры
б) структурные изомеры г) гомологи
Этан не вступает в реакции
а) замещения в) дегидрирования
б) изомеризации г) горения
Качественной реакцией на непредельную связь в углеводороде является
а) реакция с Cu(OH)2 в) реакция обесцвечивания раствора брома
б) реакция «серебряного зеркала» г) изменение цвета индикаторной бумаги
При взаимодействии этена (этилена) с водой образуется органическое вещество
а) этанол б) уксусная кислота в) этаналь г) этиленгликоль
Продуктом реакции бутена-1 с хлороводородом образуется
а) 1-хлобутан б) 2-хлорбутен-1 в) 3-хлорбутан г) 2-хлорбутан
Полипропилен получают из вещества, формула которого
а) CH2 = CH2 б) CH ≡ CH в) CH2 = CH – CH2 г) CH3 – CH2 – CH3
При взаимодействии этина (ацетилена) с водой образуется органическое вещество
а) этанол б) этаналь в) уксусная кислота г) этиленгликоль
Продуктом тримеризации ацетилена является
а) ксилол б) толуол в) циклогексан г) бензол
Валентность
Валентность — число химических связей, которые образует атом элемента в химическом соединении.
Валентность атомов обозначается римскими цифрами: I, II, III и т.д.
Валентные возможности атома зависят от количества:
1) неспаренных электронов 
Валентность и кислоты
Поскольку валентность водорода остается неизменной и хорошо вам известна, вы легко сможете определить и валентность кислотного остатка. Так, к примеру, в H2SO3 валентность SO3 – I, в HСlO3 валентность СlO3 – I.
Аналогчиным образом, если известна валентность кислотного остатка, несложно записать правильную формулу кислоты: NO2(I) – HNO2, S4O6 (II) – H2 S4O6.
Валентность и электронная теория
В рамках электронной теории валентность атома определеяется на основании числа непарных электронов, которые участвуют в образовании электронных пар с электронами других атомов.
В образовании химических связей участвуют только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома. Поэтому максимальная валентность химического элемента – это число электронов во внешней электронной оболочке его атома.
Понятие валентности тесно связано с Периодическим законом, открытым Д. И. Менделеевым. Если вы внимательно посмотрите на таблицу Менделеева, легко сможете заметить: положение элемента в перодической системе и его валентность неравзрывно связаны. Высшая валентность элементов, которые относятся к одной и тоже группе, соответсвует порядковому номеру группы в периодичнеской системе.
Низшую валентность вы узнаете, когда от числа групп в таблице Менделеева (их восемь) отнимете номер группы элемента, который вас интересует.
Например, валентность многих металлов совпадает с номерами групп в таблице периодических элементов, к которым они относятся.
Валентные возможности атома водорода
Изобразим электронно-графическую формулу атома водорода:
Было сказано, что на валентные возможности могут влиять три фактора — наличие неспаренных электронов, наличие неподеленных электронных пар на внешнем уровне, а также наличие вакантных (пустых) орбиталей внешнего уровня. Мы видим на внешнем (и единственном) энергетическом уровне один неспаренный электрон.
Исходя из этого, водород может точно иметь валентность, равную I. Однако на первом энергетическом уровне есть только один подуровень — s, т.е. атом водорода на внешнем уровне не имеет как неподеленных электронных пар, так и пустых орбиталей.
Таким образом, единственная валентность, которую может проявлять атом водорода, равна I.
Валентные возможности атома кислорода
Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня атома кислорода имеет вид:
Мы видим на 2-м уровне два неспаренных электрона, в связи с чем для кислорода возможна валентность II. Следует отметить, что данная валентность атома кислорода наблюдается практически во всех соединениях. Выше при рассмотрении валентных возможностей атома углерода мы обсудили образование молекулы угарного газа. Связь в молекуле CO тройная, следовательно, кислород там трехвалентен (кислород — донор электронной пары).
Из-за того что атом кислорода не имеет на внешнем уровне d-подуровня, распаривание электронов s и p-орбиталей невозможно, из-за чего валентные возможности атома кислорода ограничены по сравнению с другими элементами его подгруппы, например, серой.
Таким образом, кислород практически всегда имеет валентность, равную II, однако в некоторых частицах он трехвалентен, в частности, в молекуле угарного газа C≡O. В случае, когда кислород имеет валентность III, одна из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному механизму.
Валентные возможности атома серы
Внешний энергетический уровень атома серы в невозбужденном состоянии:
У атома серы, как и у атома кислорода, в обычном состоянии два неспаренных электрона, поэтому мы можем сделать вывод о том, что для серы возможна валентность, равная двум. И действительно, валентность II сера имеет, например, в молекуле сероводорода H2S.
Как мы видим, у атома серы на внешнем уровне появляется d-подуровень с вакантными орбиталями. По этой причине атом серы способен расширять свои валентные возможности в отличие от кислорода за счет перехода в возбужденные состояния. Так, при распаривании неподеленной электронной пары 3p-подуровня атом серы приобретает электронную конфигурацию внешнего уровня следующего вида:
В таком состоянии атом серы имеет 4 неспаренных электрона, что говорит нам о возможности проявления атомами серы валентности, равной IV. Действительно, валентность IV сера имеет в молекулах SO2, SF4, SOCl2 и т.д.
При распаривании второй неподеленной электронной пары, расположенной на 3s-подуровне, внешний энергетический уровень приобретает конфигурацию:
В таком состоянии уже становится возможным проявление валентности VI. Примером соединений с VI-валентной серой являются SO3, H2SO4, SO2Cl2 и т.д.
Аналогично можно рассмотреть валентные возможности остальных химических элементов.
Валентные возможности атома углерода
Рассмотрим электронное строение атома углерода. В основном состоянии электронная конфигурация его внешнего уровня выглядит следующим образом:
Т.е. в основном состоянии на внешнем энергетическом уровне невозбужденного атома углерода находится 2 неспаренных электрона. В таком состоянии он может проявлять валентность, равную II. Однако атом углерода очень легко переходит в возбужденное состояние при сообщении ему энергии, и электронная конфигурация внешнего слоя в этом случае принимает вид:
Несмотря на то что на процесс возбуждения атома углерода тратится некоторое количество энергии, траты с избытком компенсируются при образовании четырех ковалентных связей. По этой причине валентность IV намного более характерна для атома углерода. Так, например, валентность IV углерод имеет в молекулах углекислого газа, угольной кислоты и абсолютно всех органических веществ.
Помимо неспаренных электронов и неподеленных электронных пар на валентные возможности также влияет наличие вакантных (
Резюмируя информацию по валентным возможностям атома углерода:
1) Для углерода возможны валентности II, III, IV
2) Наиболее распространенная валентность углерода в соединениях IV
3) В молекуле угарного газа CO связь тройная (!), при этом одна из трех связей образована по донорно-акцепторному механизму
Валентные возможности фосфора
Изобразим электронно-графическую формулу внешнего энергетического уровня атома фосфора:
Как мы видим, строение внешнего слоя у атома фосфора в основном состоянии и атома азота одинаково, в связи с чем логично ожидать для атома фосфора так же, как и для атома азота, возможных валентностей, равных I, II, III и IV, что и наблюдается на практике.
Однако в отличие от азота, атом фосфора имеет на внешнем энергетическом уровне еще и d-подуровень с 5-ю вакантными орбиталями.
В связи с этим он способен переходить в возбужденное состояние, распаривая электроны 3s-орбитали:
Таким образом, недоступная для азота валентность V для атома фосфора возможна. Так, например, валентность, равную пяти, атом фосфора имеет в молекулах таких соединений, как фосфорная кислота, галогениды фосфора (V), оксид фосфора (V) и т.д.
Как рассчитать степень окисления элемента в соединении?
1) Степень окисления химических элементов в простых веществах всегда равна нулю.
2) Существуют элементы, проявляющие в сложных веществах постоянную степень окисления:
Элементы, проявляющие постоянную со | Значение постоянной со этого элемента |
| Щелочные металлы, т.е. все металлы IA группы — Li, Na, K, Rb, Cs, Fr | 1 |
| Все элементы II группы, кроме ртути: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd | 2 |
| Алюминий Al | 3 |
| Фтор F | -1 |
3) Существуют химические элементы, которые проявляют в подавляющем большинстве соединений постоянную степень окисления. К таким элементам относятся:
4) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в молекуле всегда равна нулю. Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в ионе равна заряду иона.
5) Высшая (максимальная) степень окисления равна номеру группы. Исключения, которые не попадают под это правило, — элементы побочной подгруппы I группы, элементы побочной подгруппы VIII группы, а также кислород и фтор.
Химические элементы, номер группы которых не совпадает с их высшей степенью окисления (обязательные к запоминанию)
6) Низшая степень окисления металлов всегда равна нулю, а низшая степень окисления неметаллов рассчитывается по формуле:
низшая степень окисления неметалла = №группы − 8
Отталкиваясь от представленных выше правил, можно установить степень окисления химического элемента в любом веществе.
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).
Пример 1
Определите степени окисления всех элементов в серной кислоте.
Решение:
Запишем формулу дихромата аммония:
Как и в предыдущем случае, мы можем расставить степени окисления водорода и кислорода:
Однако мы видим, что неизвестны степени окисления сразу у двух химических элементов — азота и хрома. Поэтому найти степени окисления аналогично предыдущему примеру мы не можем (одно уравнение с двумя переменными не имеет единственного решения).
Обратим внимание на то, что указанное вещество относится к классу солей и, соответственно, имеет ионное строение. Тогда справедливо можно сказать, что в состав дихромата аммония входят катионы NH4 (заряд данного катиона можно посмотреть в таблице растворимости).
Следовательно, так как в формульной единице дихромата аммония два положительных однозарядных катиона NH4 , заряд дихромат-иона равен -2, поскольку вещество в целом электронейтрально. Т.е. вещество образовано катионами NH4 и анионами Cr2O72-.
Мы знаем степени окисления водорода и кислорода. Зная, что сумма степеней окисления атомов всех элементов в ионе равна заряду, и обозначив степени окисления азота и хрома как x и y соответственно, мы можем записать:
Т.е. мы получаем два независимых уравнения:
Решая которые, находим x и y:
Таким образом, в дихромате аммония степени окисления азота -3, водорода 1, хрома 6, а кислорода -2.
Как определять степени окисления элементов в органических веществах можно почитать здесь.
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.
Еще один пример. Составим формулу соединения кремния с азотом, если валентность кремния равна IV, а азота — III.
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:
- Численной характеристикой способности атомов данного элемента соединяться с другими атомами является валентность.
- Валентность водорода постоянна и равна единице. Валентность кислорода также постоянна и равна двум.
- Валентность большинства остальных элементов не является постоянной. Ее можно определить по формулам их бинарных соединений с водородом или кислородом.
Степень окисления
Степень окисления – условный заряд атома химического элемента в соединении, рассчитанный исходя из предположения, что все связи в его молекуле ионные, т.е. все связывающие электронные пары смещены к атомам с большей электроотрицательностью.
Таблица валентности химических элементов
Порядковый номер хим. элемента (атомный номер)
| Наименование | Химический символ | Валентность |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 | Водород / Hydrogen Гелий / Helium Литий / Lithium Бериллий / Beryllium Бор / Boron Углерод / Carbon Азот / Nitrogen Кислород / Oxygen Фтор / Fluorine Неон / Neon Натрий / Sodium Магний / Magnesium Алюминий / Aluminum Кремний / Silicon Фосфор / Phosphorus Сера / Sulfur Хлор / Chlorine Аргон / Argon Калий / Potassium Кальций / Calcium Скандий / Scandium Титан / Titanium Ванадий / Vanadium Хром / Chromium Марганец / Manganese Железо / Iron Кобальт / Cobalt Никель / Nickel Медь / Copper Цинк / Zinc Галлий / Gallium Германий /Germanium Мышьяк / Arsenic Селен / Selenium Бром / Bromine Криптон / Krypton Рубидий / Rubidium Стронций / Strontium Иттрий / Yttrium Цирконий / Zirconium Ниобий / Niobium Молибден / Molybdenum Технеций / Technetium Рутений / Ruthenium Родий / Rhodium Палладий / Palladium Серебро / Silver Кадмий / Cadmium Индий / Indium Олово / Tin Сурьма / Antimony Теллур / Tellurium Иод / Iodine Ксенон / Xenon Цезий / Cesium Барий / Barium Лантан / Lanthanum Церий / Cerium Празеодим / Praseodymium Неодим / Neodymium Прометий / Promethium Самарий / Samarium Европий / Europium Гадолиний / Gadolinium Тербий / Terbium Диспрозий / Dysprosium Гольмий / Holmium Эрбий / Erbium Тулий / Thulium Иттербий / Ytterbium Лютеций / Lutetium Гафний / Hafnium Тантал / Tantalum Вольфрам / Tungsten Рений / Rhenium Осмий / Osmium Иридий / Iridium Платина / Platinum Золото / Gold Ртуть / Mercury Талий / Thallium Свинец / Lead Висмут / Bismuth Полоний / Polonium Астат / Astatine Радон / Radon Франций / Francium Радий / Radium Актиний / Actinium Торий / Thorium Проактиний / Protactinium Уран / Uranium | H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Сu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U | I 0 I II III (II), IV (I), II, III, IV, V II I 0 I II III (II), IV I, III, V II, IV, VI I, (II), III, (IV), V, VII 0 I II III II, III, IV II, III, IV, V II, III, VI II, (III), IV, VI, VII II, III, (IV), VI II, III, (IV) (I), II, (III), (IV) I, II, (III) II (II), III II, IV (II), III, V (II), IV, VI I, (III), (IV), V 0 I II III (II), (III), IV (II), III, (IV), V (II), III, (IV), (V), VI VI (II), III, IV, (VI), (VII), VIII (II), (III), IV, (VI) II, IV, (VI) I, (II), (III) (I), II (I), (II), III II, IV III, (IV), V (II), IV, VI I, (III), (IV), V, VII 0 I II III III, IV III III, IV III (II), III (II), III III III, IV III III III (II), III (II), III III IV (III), (IV), V (II), (III), (IV), (V), VI (I), II, (III), IV, (V), VI, VII (II), III, IV, VI, VIII (I), (II), III, IV, VI (I), II, (III), IV, VI I, (II), III I, II I, (II), III II, IV (II), III, (IV), (V) II, IV, (VI) нет данных 0 нет данных II III IV V (II), III, IV, (V), VI |
В скобках даны те валентности, которые обладающие ими элементы проявляют редко.
Характеристики валентности
Сегодня определение валентности элементов базируется на знаниях о строении внешних электронных оболочек их атомов.
Валентность может быть:
- постоянной (металлы главных подгрупп);
- переменной (неметаллы и металлы побочных групп):
- высшая валентность;
- низшая валентность.
Постоянной в различных химических соединениях остается:
- валентность водорода, натрия, калия, фтора (I);
- валентность кислорода, магния, кальция, цинка (II);
- валентность алюминия (III).
А вот валентность железа и меди, брома и хлора, а также многих других элементов изменяется, когда они образуют различные химические соедения.
Электроотрицательность
Электроотрицательность — способность атома какого-либо химического элемента в соединении оттягивать на себя электроны связанных с ним атомов других химических элементов.
Электроотрицательность, как и прочие свойства атомов химических элементов, изменяется с увеличением порядкового номера элемента периодически:
График выше демонстрирует периодичность изменения электроотрицательности элементов главных подгрупп в зависимости от порядкового номера элемента.
При движении вниз по подгруппе таблицы Менделеева электроотрицательность химических элементов уменьшается, при движении вправо по периоду возрастает.
Электроотрицательность отражает неметалличность элементов: чем выше значение электроотрицательности, тем более у элемента выражены неметаллические свойства.
Заключение
Углубляя свои знания о строении атомов, вы глубже и подробнее узнаете и валентность. Эта характеристика химических элементов не является исчерпывающей. Но у нее большое прикладное значение. В чем вы сами не раз убедились, решая задачи и проводя химические опыты на уроках.
Эта статья создана, чтобы помочь вам систематизировать свои знания о валентности. А также напомнить, как можно ее определить и где валентность находит применение.
Надеемся, этот материал окажется для вас полезным при подготовке домашних заданий и самоподготовке к контрольным и экзаменам.
Не забудьте поделиться ссылкой с друзьями в социальных сетях, чтобы они тоже могли воспользоваться этой полезной информацией.