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 , 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
Для определения этой способности атома по 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 – P 2 O 5 и низшую (8-5)=3– PF 3 .
Стоит также отметить несколько основных характеристик и особенностей при определении этого показателя:
- Валентность водорода всегда I – H 2 O, HNO 3 , H 3 PO 4 .
- Валентность всегда равна II – CO 2 , SO 3 .
- У металлов, которые расположены в главной подгруппе, этот показатель всегда равен номеру группы – Al 2 O 3 , 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, ClF 3 ,ClF 5 ,HClO 4 соответственно.
Определение по формуле
Для определения по формуле можно воспользоваться несколькими правилами:
- Если известна валентность (V) одного из элементов в двойном соединении: допустим, есть соединение углерода и кислорода СО 2 , 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 можно найти так – 2×2 (в молекуле 2 атома кислорода с V= 2), то есть валентность углерода равняется 4 . Рассмотрим еще несколько примеров: P 2 O 5 – тут валентность фосфора = (5*2)/2 = 5. HCl – валентность хлора будет равна I, так как в этой молекуле 1 атом водорода, и V= 1.
- 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
Очень 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, HNO 3 и H 2 SO 4 , степени окисления будут такими – H +1 N +5 O 3 -2 и H 2 +1 S +6 O 4 -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 H 2 O 2 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
Один 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: H 2 O – 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.
Валентность – это способность атомов присоединять к себе определенное число других атомов.
С одним атомом одновалентного элемента соединяется один атом другого одновалентного элемента (HСl ). С атомом двухвалентного элемента соединяются два атома одновалентного (H 2 O) или один атом двухвалентного (CaO). Значит, валентность элемента можно представить как число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента может соединяться атом данного элемента. Валентность элемента – это число связей, которое образует атом:
Na – одновалентен (одна связь)
H – одновалентен (одна связь)
O – двухвалентен (две связи у каждого атома)
S – шестивалентна (образует шесть связей с соседними атомами)
Правила
определения валентности
элементов в соединениях
1. Валентность водорода принимают за I (единицу). Тогда в соответствии с формулой воды Н 2 О к одному атому кислорода присоединено два атома водорода.
2. Кислород в своих соединениях всегда проявляет валентность II . Поэтому углерод в соединении СО 2 (углекислый газ) имеет валентность IV.
3. Высшая валентность равна номеру группы .
4. Низшая валентность равна разности между числом 8 (количество групп в таблице) и номером группы, в которой находится данный элемент, т.е. 8 - N группы .
5. У металлов, находящихся в «А» подгруппах, валентность равна номеру группы.
6. У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая.
Например: сера имеет высшую валентность VI и низшую (8 – 6), равную II; фосфор проявляет валентности V и III.
7. Валентность может быть постоянной или переменной.
Валентность элементов необходимо знать, чтобы составлять химические формулы соединений.
Алгоритм составления формулы соединения оксида фосфора
|
Последовательность действий |
Составление формулы оксида фосфора |
|
1. Написать символы элементов |
Р О |
|
2. Определить валентности элементов |
V II
|
|
3. Найти наименьшее общее кратное численных значений валентностей |
5 2 = 10 |
|
4. Найти соотношения между атомами элементов путем деления найденного наименьшего кратного на соответствующие валентности элементов |
10: 5 = 2, 10: 2 = 5; P: О = 2: 5 |
|
5. Записать индексы при символах элементов |
Р 2 О 5 |
|
6. Формула соединения (оксида) |
Р 2 О 5 |
Запомните!
Особенности составления химических формул соединений.
1) Низшую валентность проявляет тот элемент, который находится в таблице Д.И.Менделеева правее и выше, а высшую валентность – элемент, расположенный левее и ниже.
Например, в соединении с кислородом сера проявляет высшую валентность VI, а кислород – низшую II. Таким образом, формула оксида серы будет SO 3.
В соединении кремния с углеродом первый
проявляет высшую валентность IV, а второй – низшую IV. Значит, формула
– SiC. Это карбид кремния, основа огнеупорных и абразивных материалов.
2) Атом металла стоит в формуле на первом месте.
2) В формулах соединений атом неметалла, проявляющий низшую валентность, всегда стоит на втором месте, а название такого соединения оканчивается на «ид».
Например, СаО – оксид кальция, NaCl – хлорид натрия, PbS – сульфид свинца.
Теперь вы сами можете написать формулы любых соединений металлов с неметаллами.
При рассмотрении химических элементов можно заметить, что количество атомов у одного и того же элемента в разных веществах разнится. Каким же образом правильно записать формулу и не ошибиться в индексе химического элемента? Это легко сделать, если иметь представление, что такое валентность.
Для чего нужна валентность?
Валентность химических элементов – это способность атомов элемента образовывать химические связи, то есть присоединять к себе другие атомы. Количественной мерой валентности является число связей, которые образует данный атом с другими атомами или атомными группами.
В настоящее время валентность представляет собой число ковалентных связей (в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму), которыми данный атом соединен с другими. При этом не учитывается полярность связей, а значит, валентность не имеет знака и не может быть равной нулю.
Ковалентная химическая связь – это связь, осуществляемая за счет образования общих (связывающих) электронных пар. Если между двумя атомами имеется одна общая электронная пара, то такая связь называется одинарной, если две – двойной, если три – тройной.
Как находить валентность?
Первый вопрос, который волнует учеников 8 класса, начавших изучать химию – как определить валентность химических элементов? Валентность химического элемента можно посмотреть в специальной таблице валентности химических элементов
Рис. 1. Таблица валентности химических элементов
Валентность водорода принята за единицу, так как атом водорода может образовывать с другими атомами одну связь. Валентность других элементов выражаем числом, которое показывает, сколько атомов водорода может присоединить к себе атом данного элемента. Например, валентность хлора в молекуле хлористого водорода равна единице. Следовательно формула хлористого водорода будет выглядеть так: HCl. Так как и у хлора и у водорода валентность равна единице, никакой индекс не используется. И хлор и водород являются одновалентными, так как одному атому водорода соответствует один атом хлора.
Рассмотрим другой пример: валентность углерода в метане равна четырем, валентность водорода – всегда единица. Следовательно, рядом с водородом следует поставить индекс 4. Таким образом формула метана выглядит так: CH 4 .
Очень многие элементы образуют соединения с кислородом. Кислород всегда является двухвалентным. Поэтому в формуле воды H 2 O, где встречаются всегда одновалентный водород и двухвалентный кислород, рядом с водородом ставится индекс 2. Это значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Рис. 2. Графическая формула воды
Не все химические элементы имеют постоянную валентность, у некоторых она может изменяться в зависимости от соединений, где используется данный элемент. К элементам с постоянной валентностью относятся водород и кислород, к элементам с переменной валентностью относятся, например, железо, сера, углерод.
Как определить валентность по формуле?
Если у вас перед глазами нет таблицы валентности, но есть формула химического соединения, то возможно определение валентности по формуле. Возьмем для примера формулу оксид марганца – Mn 2 O 7
Рис. 3. Оксид марганца
Как известно, кислород является двухвалентным. Чтобы выяснить, какой валентностью обладает марганец, необходимо валентность кислорода умножить на число атомов газа в этом соединении:
Получившееся число делим на количество атомов марганца в соединении. Получается:
Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 923.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Под валентностью подразумевается свойство атома данного элемента присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента.
Мерой валентности поэтому может быть число химических связей, образуемых данным атомом с другими атомами. Таким образом, в настоящее время под валентностью химического элемента обычно понимается его способность (в более узком смысле - мера его способности) к образованию химических связей (рис. 1). В представлении метода валентных связей числовое значение валентности соответствует числу ковалентных связей, которые образует атом.
Рис. 1. Схематическое образование молекул воды и аммиака.
Таблица валентности химических элементов
Первоначально за единицу валентности принимали валентность водорода. Валентность другого элемента при этом выражали числом атомов водорода, которые присоединяет к себе или замещает один атом этого элемента (т.н. валентность по водороду). Например, в соединениях состава HCl, H 2 O, NH 3 , CH 4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода - двум, азота - трем, углерода - четырем.
Потом было решено, что определить валентность искомого элемента можно и по кислороду, валентность которого, как правило, равна двум. В этом случае валентность химического элемента рассчитывается как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединить один атом данного элемента (т.н. валентность по кислороду). Например, в соединениях составаN 2 O, CO, SiO 2 , SO 3 валентность по кислороду азота равна единице, углерода - двум, кремния - четырем, серы - шести.
На деле оказалось, что у большинства химических элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H 2 S), а по кислороду - шести (SO 3). Кроме того, большинство элементов проявляют в своих соединениях различную валентность. Например, углерод образует два оксида: монооксид CO и диоксид CO 2 . В первом из которых валентность углерода равна II, а во втором - четырем. Откуда следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом, как правило, нельзя.
Высшая и низшая валентности химических элементов
Значения высшей и низшей валентностей химического элемента можно определить при помощи Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Высшая валентность элемента совпадает с номером группы, в которой он расположен, а низшая представляет собой разность между числом 8 и номером группы. Например, бром расположен в VIIA группе, значит его высшая валентность равна VII, а низшая - I.
Существуют элементы с т.н. постоянной валентностью (металлы IA и IIA групп, алюминий водород, фтор, кислород), которые в своих соединениях проявляют единственную степень окисления, которая чаще всего совпадает с номером группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева, где они расположены).
Элементы, для которых характерны несколько значений валентности (причем не всегда это высшая и низшая валентность) называются переменновалентными. Например, для серы характерны валентности II, IV и VI.
Для того, чтобы легче было запомнить сколько и какие валентности характерны для конкретного химического элемента используют таблицы валентности химических элементов, которые выглядят следующим образом:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Валентность III характерна для: а)Ca; б) P; в) O; г)Si? |
| Решение | а) Кальций - металл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность кальция равна II. Ответ неверный. б) Фосфор - неметалл. Относится к группе химических элементов с переменной валентностью: высшая определяется номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. равна V, а низшая -разностью между числом 8 и номером группы, т.е. равна III. Это верный ответ. |
| Ответ | Вариант (б) |
ПРИМЕР 2
| Задание | Валентность III характерна для: а)Be; б) F; в) Al; г)C? |
| Решение | Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем рассматривать каждый из предложенных вариантов в отдельности.
а) Бериллий - металл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность бериллия равна II. Ответ неверный. б) Фтор - неметалл. Характеризуется единственно возможным значением валентности равным I. Ответ неверный. в) Алюминий - металл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность алюминия равна III. Это верный ответ. |
| Ответ | Вариант (в) |
До сих пор вы пользовались химическими формулами веществ, приведенными в учебнике, или теми, которые вам называл учитель. Как же правильно составлять химические формулы?
Химические формулы веществ составляются на основе знания качественного и количественного состава вещества. Веществ существует гигантское количество, естественно запомнить все формулы невозможно. Это и не нужно! Важно знать определенную закономерность, согласно которой атомы способны соединяться друг с другом с образованием новых химических соединений. Такая способность называется валентностью.
Валентность – свойство атомов элементов присоединять определенное число атомов других элементов
Рассмотрим модели молекул некоторых веществ, таких, как вода, метан и углекислый газ.
Видно, что в молекуле воды атом кислорода присоединяет два атома водорода. Следовательно, его валентность равна двум. В молекуле метана атом углерода присоединяет четыре атома водорода, его валентность в данном веществе равна четырем. Валентность водорода в обоих случаях равна одному. Такую же валентность углерод проявляет и в углекислом газе, но в отличие от метана, атом углерода присоединяет два атома кислорода, так как валентность кислорода равна двум.
Существуют элементы, валентность которых не меняется в соединениях. О таких элементах говорят, что они обладают постоянной валентностью. Если же валентность элемента может быть различной – это элементы с переменной валентностью. Валентность некоторых химических элементов приведена в таблице 2. Валентность принято обозначать римскими числами.
Таблица 2. Валентность некоторых химических элементов
| Символ элемента | Валентность | Символ элемента | Валентность |
| H, Li, Na, K, F, Ag | I | C, Si, Sn, Pb | II, IV |
| Be, Mg, Ca, Ba, Zn, O | II | N | I, II, III, IV |
| Al, B | III | P, As, Sb | III, V |
| S | II, IV, VI | Cl | I, II,III, IV,V, VII |
| Br, I | I, III, V | Ti | II, III, IV |
Стоит отметить, что высшая валентность элемента численно совпадает с порядковым номером группы Периодической Системы, в которой он находится. Например, углерод находиться в IV группе, его высшая валентность равна IV.
Исключение составляют три элемента:
- азот – находится в V группе, но его высшая валентность IV;
- кислород – находится в VI группе, но его высшая валентность II;
- фтор – находится в VII группе, но его высшая валентность – I.
Исходя из того, что все элементы расположены в восьми группах Периодической Системы, валентность может принимать значения от I до VIII.
Составление формул веществ при помощи валентности
Для составления формул веществ при помощи валентности воспользуемся определенным алгоритмом:
Определение валентности по формуле вещества
Чтобы определить валентность элементов по формуле вещества, необходим обратный порядок действий. Рассмотрим его также при помощи алгоритма:
При изучении данного параграфа были рассмотрены сложные вещества, в состав которых входят только два вида атомов химических элементов. Формулы более сложных веществ составляются иначе.
Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов элементов
Для определения порядка последовательности соединения атомов используют структурные (графические) формулы веществ. В таких формулах валентности элементов обозначают валентными штрихами (черточками). Например, молекулу воды можно изобразить как
Н─О─Н
Графическая формула изображает только порядок соединения атомов, но не структуру молекул. В пространстве такие молекулы могут выглядеть иначе. Так, молекула воды имеет угловую структурную формулу:
- Валентность – способность атомов элементов присоединять определенное число атомов других химических элементов
- Существуют элементы с постоянной и переменной валентностью
- Высшая валентность химического элемента совпадает с его номером группы в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Исключения: азот, кислород, фтор
- Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов химических элементов
- Графические формулы отражают порядок связей атомов в молекуле при помощи валентных штрихов
- Структурная формула отражает реальную форму молекулы в пространстве