Визначаємо валентність хімічних елементів

Рівень знань про будову атомів і молекул в XIX столітті не дозволяв пояснити причину, по якій атоми утворюють певне число зв'язків з іншими частинками. Але ідеї вчених випередили свій час, а валентність досі вивчається як один з основних принципів хімії.

З історії виникнення поняття «валентність хімічних елементів»

Видатний англійський хімік XIX століття Едвард Франкленд ввів термін «зв'язок» у науковий обіг для опису процесу взаємодії атомів один з одним. Вчений зауважив, що деякі хімічні елементи утворюють сполуки з одним і тим же кількістю інших атомів. Наприклад, азот приєднує три атома водню в молекулі аміаку.

У травні 1852 Франкленд висунув гіпотезу про те, що існує конкретне число хімічних зв'язків, які атом може утворювати з іншими дрібними частками речовини. Франкленд використовував фразу «сполучна сила» для опису того, що пізніше буде названо валентностью. Британський хімік встановив, скільки хімічних зв'язків формують атоми окремих елементів, відомих в середині XIX сторіччя. Робота Франкленд стала важливим внеском у сучасну структурну хімію.

Розвиток поглядів

Німецький хімік Ф.А. Кекуле довів у 1857 році, що вуглець є чотирьохосновним. У його найпростішому з'єднанні - метані - виникають зв'язку з 4 атомами водню. Термін «основність» вчений застосовував для позначення властивості елементів приєднувати строго певну кількість інших частинок. У Росії дані про будову речовини систематизував А. М. Бутлеров (1861). Подальший розвиток теорія хімічного зв'язку отримала завдяки вченню про періодичному зміні властивостей елементів. Його автор - інший видатний російський хімік, Д. І. Менделєєв. Він довів, що валентність хімічних елементів у з'єднаннях та інші властивості обумовлені тим положенням, яке вони займають в періодичній системі.

Графічне зображення валентності і хімічного зв'язку

Можливість наочного зображення молекул - одне з безперечних достоїнств теорії валентності. Перші моделі з'явилися в 1860-х, а з 1864 року використовуються структурні формули, що представляють собою кола з хімічним знаком всередині. Між символами атомів рискою позначається хімічний зв'язок, а кількість цих ліній дорівнює значенню валентності. У ті ж роки були виготовлені перші шаростержневие моделі (див. Фото ліворуч). У 1866 році Кекуле запропонував стереохимический малюнок атома вуглецю у формі тетраедра, який він і включив у свій підручник «Органічна хімія».

Валентність хімічних елементів і виникнення зв'язків вивчав Г. Льюїс, який опублікував свої праці в 1923 році після відкриття електрона. Так називаються негативно заряджені частинки, які входять до складу оболонок атомів. У своїй книзі Льюїс застосував точки навколо чотирьох сторін символу хімічного елемента для відображення валентних електронів.

Валентність за воднем і киснем

До створення періодичної системи валентність хімічних елементів у з'єднаннях прийнято було порівнювати з тими атомами, для яких вона відома. Як еталони були обрані водень і кисень. Інший хімічний елемент притягував або заміщав певну кількість атомів H і O.

Таким способом визначали властивості в сполуках з одновалентним воднем (валентність другого елементу позначена римською цифрою):

• HCl - хлор (I):
• H₂O - кисень (II) ;
• NH₃ - азот (III) ;
• CH₄ - вуглець (IV).

В оксидах K₂O, CO, N₂O₃, SiO₂, SO₃ визначали валентність по кисню металів і неметалів, подвоївши число приєднуваних атомів O. Отримували такі значення: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).

Як визначати валентність хімічних елементів

Існують закономірності утворення хімічного зв'язку з участю загальних електронних пар:

• Типова валентність водню - I.
• Звичайна валентність кисню - II.
• Для елементів-неметалів нижчу валентність можна визначити за формулою 8 - № групи, в якій вони перебувають у періодичній системі. Вища, якщо вона можлива, визначається за номером групи.
• Для елементів побічних підгруп максимально можлива валентність така ж, як номер їх групи в періодичній таблиці.

Визначення валентності хімічних елементів за формулою сполуки проводиться з використанням наступного алгоритму:

1. Запишіть зверху над хімічним знаком відоме значення для одного з елементів. Наприклад, в Mn₂O₇ валентність кисню дорівнює II.
2. Обчисліть сумарну величину, для чого необхідно помножити валентність на кількість атомів того ж хімічного елемента в молекулі: 2 * 7 = 14.
3. Визначте валентність другого елементу, для якого вона невідома. Розділіть отриману в п. 2 величину на кількість атомів Mn в молекулі.
4. 14: 2 = 7. Валентність марганцю у його вищому оксиді - VII.

Постійна і змінна валентність

Значення валентності за воднем і киснем різняться. Наприклад, сірка в з'єднанні H₂S Двовалентне, а у формулі SO₃ - шестивалентного. Вуглець утворює з киснем монооксид CO і діоксид CO₂. У першому з'єднанні валентність C дорівнює II, а в другому - IV. Таке ж значення в метані CH₄.

Більшість елементів виявляє не постійну, а змінну валентність, наприклад, фосфор, азот, сірка. Пошуки основних причин цього явища призвели до виникнення теорій хімічного зв'язку, уявлень про валентній оболонці електронів, молекулярних орбіталях. Існування різних значень одного і того ж властивості отримало пояснення з позицій будови атомів і молекул.

Сучасні уявлення про валентність

Всі атоми складаються з позитивного ядра, оточеного негативно зарядженими електронами. Зовнішня оболонка, яку вони утворюють, буває недобудованою. Завершена структура найбільш стійка, вона містить 8 електронів (октет). Виникнення хімічного зв'язку завдяки спільним електронним парам призводить до енергетично вигідним станом атомів.

Правилом для формування з'єднань є завершення оболонки шляхом прийому електронів або віддачі неспарених - залежно від того, який процес легше проходить. Якщо атом надає для утворення хімічного зв'язку негативні частинки, що не мають пари, то зв'язків він утворює стільки, скільки у нього неспарених електронів. За сучасними уявленнями, валентність атомів хімічних елементів - це здатність до утворення певного числа ковалентних зв'язків. Наприклад, в молекулі сірководню H₂S сірка набуває валентність II (-), оскільки кожен атом бере участь в утворенні двох електронних пар. Знак «-» вказує на тяжіння електронної пари до більш електронегативного елементу. У менш електронегативного до значення валентності дописують «+».

При донорно-акцепторном механізмі в процесі беруть участь електронні пари одного елемента і вільні валентні орбіталі іншого.

Залежність валентності від будови атома

Розглянемо на прикладі вуглецю і кисню, як залежить від будови речовини валентність хімічних елементів. Таблиця Менделєєва дає уявлення про основні характеристики атома вуглецю:

• хімічний знак - C;
• номер елемента - 6
• заряд ядра - + 6;
• протонів в ядрі - 6
• електронів - 6, в тому числі 4 зовнішніх, з яких 2 утворюють пару, 2 - неспарених.

Якщо атом вуглецю в моноооксіде CO утворює дві зв'язку, то в його користування надходить тільки 6 негативних частинок. Для придбання октету необхідно, щоб пари утворили 4 зовнішні негативні частинки. Вуглець має валентність IV (+) в діоксиді і IV (-) в метані.

Порядковий номер кисню - 8, валентна оболонка складається з шести електронів, 2 з них не утворюють пари і беруть участь в хімічній зв'язку і взаємодії з іншими атомами. Типова валентність кисню - II (-).

Валентність і ступінь окиснення

У дуже багатьох випадках зручніше використовувати поняття «ступінь окиснення». Так називають заряд атома, який він придбав би, якби всі зв'язують електрони перейшли до елементу, який має вище значення електрооотріцательності (ЕО). Окислювальне число в простому речовині дорівнює нулю. До ступеня окислення більш ЕО елемента додається знак «-», менш електронегативного - «+». Наприклад, для металів головних підгруп типові ступеня окислення і заряди іонів, рівні номеру групи зі знаком «+». У більшості випадків валентність і ступінь окиснення атомів в одному і тому ж з'єднанні чисельно збігаються. Тільки при взаємодії з більш електронегативними атомами ступінь окислення позитивна, з елементами, у яких ЕО нижче, - негативна. Поняття «валентність» найчастіше застосовується тільки до речовин молекулярної будови.