Химия определение валентности химических элементов. Что такое валентность? Зная валентности двух элементов, можно составить формулу бинарного соединения

Уровень знаний о строении атомов и молекул в XIX веке не позволял объяснить причину, по которой атомы образуют определенное число связей с другими частицами. Но идеи ученых опередили свое время, а валентность до сих пор изучается как один из основных принципов химии.

Из истории возникновения понятия «валентность химических элементов»

Выдающийся английский химик XIX века Эдвард Франкленд ввел термин «связь» в научный обиход для описания процесса взаимодействия атомов друг с другом. Ученый заметил, что некоторые химические элементы образуют соединения с одним и тем же количеством других атомов. Например, азот присоединяет три атома водорода в молекуле аммиака.

В мае 1852 года Франкленд выдвинул гипотезу о том, что существует конкретное число химических связей, которые атом может образовывать с другими мельчайшими частицами вещества. Франкленд использовал фразу «соединительная сила» для описания того, что позже будет названо валентностью. Британский химик установил, сколько химических связей формируют атомы отдельных элементов, известных в середине XIX столетия. Работа Франкленда стала важным вкладом в современную структурную химию.

Развитие взглядов

Немецкий химик Ф.А. Кекуле доказал в 1857 году, что углерод является четырехосновным. В его простейшем соединении — метане — возникают связи с 4 атомами водорода. Термин «основность» ученый применял для обозначения свойства элементов присоединять строго определенное количество других частиц. В России данные о систематизировал А. М. Бутлеров (1861). Дальнейшее развитие теория химической связи получила благодаря учению о периодическом изменении свойств элементов. Его автор — другой выдающийся Д. И. Менделеев. Он доказал, что валентность химических элементов в соединениях и другие свойства обусловлены тем положением, которое они занимают в периодической системе.

Графическое изображение валентности и химической связи

Возможность наглядного изображения молекул — одно из несомненных достоинств теории валентности. Первые модели появились в 1860-х, а с 1864 года используются представляющие собой окружности с химическим знаком внутри. Между символами атомов черточкой обозначается а количество этих линий равно значению валентности. В те же годы были изготовлены первые шаростержневые модели (см. фото слева). В 1866 году Кекуле предложил стереохимический рисунок атома углерода в форме тетраэдра, который он и включил в свой учебник «Органическая химия».

Валентность химических элементов и возникновение связей изучал Г. Льюис, опубликовавший свои труды в 1923 году после Так называются отрицательно заряженные мельчайшие частицы, которые входят в состав оболочек атомов. В своей книге Льюис применил точки вокруг четырех сторон символа химического элемента для отображения валентных электронов.

Валентность по водороду и кислороду

До создания периодической системы валентность химических элементов в соединениях принято было сравнивать с теми атомами, для которых она известна. В качестве эталонов были выбраны водород и кислород. Другой химический элемент притягивал либо замещал определенное количество атомов H и O.

Таким способом определяли свойства в соединениях с одновалентным водородом (валентность второго элемента обозначена римской цифрой):

• HCl — хлор (I):
• H 2 O — кислород (II);
• NH 3 — азот (III);
• CH 4 — углерод (IV).

В оксидах K 2 O, CO, N 2 O 3 , SiO 2 , SO 3 определяли валентность по кислороду металлов и неметаллов, удвоив число присоединяемых атомов O. Получали следующие значения: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).

Как определять валентность химических элементов

Существуют закономерности образования химической связи с участием общих электронных пар:

• Типичная валентность водорода — I.
• Обычная валентность кислорода — II.
• Для элементов-неметаллов низшую валентность можно определить по формуле 8 - № группы, в которой они находятся в периодической системе. Высшая, если она возможна, определяется по номеру группы.
• Для элементов побочных подгрупп максимально возможная валентность такая же, как номер их группы в периодической таблице.

Определение валентности химических элементов по формуле соединения проводится с использованием следующего алгоритма:

1. Запишите сверху над химическим знаком известное значение для одного из элементов. Например, в Mn 2 O 7 валентность кислорода равна II.
2. Вычислите суммарную величину, для чего необходимо умножить валентность на количество атомов того же химического элемента в молекуле: 2*7 = 14.
3. Определите валентность второго элемента, для которого она неизвестна. Разделите полученную в п. 2 величину на количество атомов Mn в молекуле.
4. 14: 2 = 7. в его высшем оксиде — VII.

Постоянная и переменная валентность

Значения валентности по водороду и кислороду различаются. Например, сера в соединении H 2 S двухвалентна, а в формуле SO 3 - шестивалентна. Углерод образует с кислородом монооксид CO и диоксид CO 2 . В первом соединении валентность C равна II, а во втором — IV. Такое же значение в метане CH 4 .

Большинство элементов проявляет не постоянную, а переменную валентность, например, фосфор, азот, сера. Поиски основных причин этого явления привели к возникновению теорий химическй связи, представлений о валентной оболочке электронов, молекулярных орбиталях. Существование разных значений одного и того же свойства получило объяснение с позиций строения атомов и молекул.

Современные представления о валентности

Все атомы состоят из положительного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Наружная оболочка, которую они образуют, бывает недостроенной. Завершенная структура наиболее устойчива, она содержит 8 электронов (октет). Возникновение химической связи благодаря общим электронным парам приводит к энергетически выгодному состоянию атомов.

Правилом для формирования соединений является завершение оболочки путем приема электронов либо отдачи неспаренных - в зависимости от того, какой процесс легче проходит. Если атом предоставляет для образования химической связи отрицательные частицы, не имеющие пары, то связей он образует столько, сколько у него неспаренных электронов. По современным представлениям, валентность атомов химических элементов — это способность к образованию определенного числа ковалентных связей. Например, в молекуле сероводорода H 2 S сера приобретает валентность II (-), поскольку каждый атом принимает участие в образовании двух электронных пар. Знак «-» указывает на притяжение электронной пары к более электроотрицательному элементу. У менее электроотрицательного к значению валентности дописывают «+».

При донорно-акцепторном механизме в процессе принимают участие электронные пары одного элемента и свободные валентные орбитали другого.

Зависимость валентности от строения атома

Рассмотрим на примере углерода и кислорода, как зависит от строения вещества валентность химических элементов. Таблица Менделеева дает представление об основных характеристиках атома углерода:

• химический знак — C;
• номер элемента — 6;
• заряд ядра — +6;
• протонов в ядре — 6;
• электронов — 6, в том числе 4 внешних, из которых 2 образуют пару, 2 — неспаренных.

Если атом углерода в моноооксиде CO образует две связи, то в его пользование поступает только 6 отрицательных частиц. Для приобретения октета необходимо, чтобы пары образовали 4 внешние отрицательные частицы. Углерод имеет валентность IV (+) в диоксиде и IV (-) в метане.

Порядковый номер кислорода — 8, валентная оболочка состоит из шести электронов, 2 из них не образуют пары и принимают участие в химической связи и взаимодействии с другими атомами. Типичная валентность кислорода — II (-).

Валентность и степень окисления

В очень многих случаях удобнее использовать понятие «степень окисления». Так называют заряд атома, который он приобрел бы, если бы все связывающие электроны перешли к элементу, который имеет выше значение электрооотрицательности (ЭО). Окислительное число в простом веществе равно нулю. К степени окисления более ЭО элемента добавляется знак «-», менее электроотрицательного — «+». Например, для металлов главных подгрупп типичны степени окисления и заряды ионов, равные номеру группы со знаком «+». В большинстве случаев валентность и степень окисления атомов в одном и том же соединении численно совпадают. Только при взаимодействии с более электроотрицательными атомами степень окисления положительная, с элементами, у которых ЭО ниже, — отрицательная. Понятие «валентность» зачастую применяется только к веществам молекулярного строения.

Существует несколько определений понятия «валентность». Чаще всего этим термином называют способность атомов одного элемента присоединять определённое число атомов других элементов. Часто у тех, кто только начинает изучать химию, возникает вопрос: Как определить валентность элемента?. Сделать это несложно, зная несколько правил.

Валентности постоянные и переменные

Рассмотрим соединения HF, H2S и CaH2. В каждом из этих примеров один атом водорода присоединяет к себе только один атом другого химического элемента, значит его валентность равна одному. Значение валентности записывают над символом химического элемента римскими цифрами.

В приведённом примере атом фтора связан только с одним одновалентным атомом H, значит валентность его тоже равна 1. Атом серы в H2S присоединяет к себе уже два атома H, поэтому она в данном соединении двухвалентна. С двумя водородными атомами связан и кальций в его гидриде CaH2, а значит, и его валентность равна двум.

Кислород в подавляющем большинстве своих соединений двухвалентен, то есть образует две химические связи с другими атомами.

Атом серы в первом случае присоединяет к себе два кислородных атома, то есть всего образует 4 химические связи (один кислород образует две связи, значит сера — два раза по 2), то есть валентность ее равна 4.

В соединении SO3 сера присоединяет уже три атома O, поэтому и валентность ее равна 6 (три раза образует по две связи с каждым атомом кислорода). Атом кальция же присоединяет только один атом кислорода, образуя с ним две связи, значит, его валентность такая же, как и у O, то есть равна 2.

Обратите внимание на то, что атом H одновалентен в любом соединении. Всегда (кроме иона гидроксония H3O(+)) равна 2 валентность кислорода. По две химические связи как с водородом, так и с кислородом образует кальций. Это элементы с постоянной валентностью. Кроме уже указанных, постоянную валентность имеют:

• Li, Na, K, F — одновалентны;
• Be, Mg, Ca, Zn, Cd — обладают валентностью, равной II;
• B, Al и Ga — трехвалентны.

Атом серы, в отличие от рассмотренных случаев, в соединении с водородом имеет валентность, равную II, а с кислородом может быть и четырех- и шестивалентна. Про атомы таких элементов говорят, что они имеют переменную валентность. При этом максимальное ее значение в большинстве случаев совпадает с номером группы, в которой находится элемент в Периодической системе (правило 1).

Из этого правила есть много исключений. Так, элемент 1 группы медь, проявляет валентности и I, и II. Железо, кобальт, никель, азот, фтор, напротив, имеют максимальную валентность, меньшую, чем номер группы. Так, для Fe, Co, Ni это II и III, для N — IV, а для фтора — I.

Минимальное значение валентности всегда соответствует разнице между числом 8 и номером группы (правило 2).

Однозначно определить, какова же валентность элементов, у которых она переменная, можно только по формуле определенного вещества.

Определение валентности в бинарном соединении

Рассмотрим, как определить валентность элемента в бинарном (из двух элементов) соединении. Здесь возможны два варианта: в соединении валентность атомов одного элемента известна точно или же обе частицы с переменной валентностью.

Случай первый:

Случай второй:

Определение валентности по формуле трехэлементной частицы.

Далеко не все химические вещества состоят из двухатомных молекул. Как определить валентность элемента в трёхэлементной частице? Рассмотрим этот вопрос на примере формул двух соединения K2Cr2O7.

Если же вместо калия в формуле будет присутствовать железо, или другой элемент с переменной валентностью, нам потребуется знать, какова же валентность кислотного остатка. Например, нужно вычислить валентности атомов всех элементов в соединении с формулой FeSO4.

Следует отметить, что термин «валентность» чаще использую в органической химии. При составлении формул неорганических соединений чаще используют понятие «степень окисления».

Часто люди слышат слово «валентность», не до конца понимая, что это такое. Так что такое валентность? Валентность - один из терминов, которые употребляются в химическом строении. Валентность, по сути, определяет возможность атома образовывать химические связи. Количественно валентность - это число связей, в которых участвует атом.

Что такое валентность элемента

Валентность - это показатель способности атома присоединить другие атомы, образовав с ними, внутри молекулы, химические связи. Число связей атома равно числу его неспаренных электронов. Эти связи называют ковалентными.

Неспаренный электрон - это свободный электрон на внешней оболочке атома, который соединяется в пары с внешним электроном иного атома. Каждая пара таких электронов называется «электронной», а каждый из электронов - валентным. Так определение слова «валентность» - это количество электронных пар, с помощью которых один атом связан с другим атомом.

Валентность схематично можно изобразить в структурных химических формулах. Когда это не нужно, используют простые формулы, где валентность не указана.

Максимальная валентность химических элементов из одной группы периодической системы Менделеева равна порядковому номеру этой группы. Атомы одного и того же элемента могут иметь разную валентность в разных химических соединениях. Полярность ковалентных связей, которые образуются, при этом не учитывается. Вот почему валентность не имеет знака. Также валентность не может быть отрицательной величиной и равняться нулю.

Иногда понятие «валентность» приравнивают к понятию «степень окисления», но это не так, хотя иногда эти показатели действительно совпадают. Степень окисления - это формальный термин, который обозначает возможный заряд, который бы атом получил, если его электронные пары перешли бы к более электрически отрицательным атомам. Тут степень окисления может иметь какой то знак и выражена в единицах заряда. Этот термин распространен в неорганической химии, ведь в неорганических соединениях тяжело судить о валентности. И, наоборот, в органической химии используют валентность, потому что молекулярное строение имеет большая часть органических соединений.

Теперь Вы знаете, что такое валентность химических элементов!

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

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.

Различные химические элементы отличаются по своей способности создавать химические связи, то есть соединяться с другими атомами. Поэтому в сложных веществах они могут находиться только в определенных соотношениях. Разберемся, как определить валентность по таблице Менделеева.

Существует такое определение валентности: это способность атома к образованию определенного числа химических связей. В отличие от , эта величина всегда только положительная и обозначается римскими цифрами.

В качестве единицы используется эта характеристика для водорода, которая принята равной I. Это свойство показывает, с каким числом одновалентных атомов может соединиться данный элемент. Для кислорода эта величина всегда равна II.

Знать эту характеристику необходимо, чтобы верно записывать химические формулы веществ и уравнения . Знание этой величины поможет установить соотношение между числом атомов различных типов в молекуле.

Данное понятие возникло в химии в XIX веке. Начало теории, объясняющей соединение атомов в различных соотношениях, положил Франкленд, но его идеи о «связывающей силе» не были очень распространены. Решающая роль в развитии теории принадлежала Кекуле. Он называл свойство образовывать некоторое количество связей основностью. Кекуле считал, что это фундаментальное и неизменное свойство каждого вида атомов. Важные дополнения к теории сделал Бутлеров. С развитием этой теории стало возможным наглядно изображать молекулы. Это очень помогло в изучении строения различных веществ.

Чем поможет периодическая таблица?

Находить валентность можно, посмотрев на номер группы в короткопериодном варианте. Для большинства элементов, у которых эта характеристика постоянная (принимает только одно значение), она совпадает с номером группы.

Такие свойства имеют главных подгрупп. Почему? Номер группы соответствует числу электронов на внешней оболочке. Эти электроны называются валентными. Именно они отвечают за возможность соединяться с другими атомами.

Группу составляют элементы с похожим устройством электронной оболочки, а сверху вниз возрастает заряд ядра. В короткопериодной форме каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Представители главных подгрупп - это s и p-элементы, представители побочных подгрупп имеют электроны на d и f-орбиталях.

Как определить валентность химических элементов, если она меняется? Она может совпадать с номером группы или равняться номеру группы минус восемь, а также принимать другие значения.

Важно! Чем выше и правее элемент, тем его свойство образовывать взаимосвязи меньше. Чем он более смещен вниз и влево, тем она больше.

То, как изменяется валентность в таблице Менделеева для конкретного вида атома, зависит от структуры его электронной оболочки. Сера, например, может быть двух-, четырех- и шестивалентной.

В основном (невозбужденном) состоянии у серы два неспаренных электрона находятся на подуровне 3р. В таком состоянии она может соединиться с двумя атомами водорода и образовать сероводород. Если сера перейдет в более возбужденное состояние, то один электрон перейдет на свободный 3d-подуровень, и неспаренных электронов станет 4.

Сера станет четырехвалентной. Если сообщить ей еще больше энергии, то еще один электрон перейдет с подуровня 3s на 3d. Сера перейдет в еще более возбужденное состояние и станет шестивалентной.

Постоянная и переменная

Иногда способность к образованию химических связей может меняться. Она зависит от того, в какое соединение входит элемент. Например, сера в составе H2S двухвалентна, в составе SO2 — четырехвалентна, а в SO3 - шестивалентна. Наибольшее из этих значений называется высшим, а наименьшая - низшим. Высшую и низшую валентности по таблице Менделеева можно установить так: высшая совпадает с номером группы, а низшая равняется 8 минус номер группы.

Как определить валентность химических элементов и то, изменяется ли она? Нужно установить, имеем мы дело с металлом или неметаллом. Если это металл, нужно установить, относится он к главной или побочной подгруппе.

• У металлов главных подгрупп способность к образованию химических взаимосвязей постоянная.
• У металлов побочных подгрупп - переменная.
• У неметаллов - также переменная. В большинстве случаев она принимает два значения - высшее и низшее, но иногда может быть и большее число вариантов. Примеры - сера, хлор, бром, йод, хром и другие.

В соединениях низшую валентность проявляет тот элемент, который находится выше и правее в периодической таблице, соответственно, высшую - тот, который левее и ниже.

Часто способность образовывать химические связи принимает больше двух значений. Тогда по таблице узнать их не получится, а нужно будет выучить. Примеры таких веществ:

• углерод;
• сера;
• хлор;
• бром.

Как определить валентность элемента в формуле соединения? Если она известна для других составляющих вещества, это несложно. Например, требуется рассчитать это свойство для хлора в NaCl. Натрий - элемент главной подгруппы первой группы, поэтому он одновалентен. Следовательно, хлор в этом веществе тоже может создать только одну связь и тоже одновалентен.

Важно! Однако так не всегда можно узнать это свойство для всех атомов в сложном веществе. Для примера возьмем HClO4. Зная свойства водорода, можно только установить, что ClO4 - одновалентный остаток.

Как еще узнать эту величину?

Способность образовывать определенное количество связей не всегда совпадает с номером группы, и в некоторых случаях ее придется просто заучить . Здесь на помощь придет таблица валентности химических элементов, где приведены значения этой величины. В учебнике химии за 8 класс приведены значения способности соединяться с другими атомами наиболее распространенных видов атомов.

Применение

Стоит сказать, что ученые-химики в настоящее время понятие валентности по таблице Менделеева почти не используют. Вместо него для способности вещества образовывать определенное число взаимосвязей применяют понятие степени окисления, для веществ с структурой - ковалентность, а для веществ ионного строения - заряд иона.

Однако рассматриваемое понятие применяют в методических целях. С его помощью легко объяснить, почему атомы разных видов соединяются в тех соотношениях, которые мы наблюдаем, и почему эти соотношения для разных соединений различны.

На данный момент подход, согласно которому соединение элементов в новые вещества всегда объяснялось с помощью валентности по таблице Менделеева независимо от типа связи в соединении, устарел. Сейчас мы знаем, что для ионной, ковалентной, металлической связей существуют разные механизмы объединения атомов в молекулы.

Полезное видео

Подведем итоги

По таблице Менделеева определить способность к образованию химических связей возможно не для всех элементов. Для тех, которые проявляют одну валентность по таблице Менделеева, она в большинстве случаев равна номеру группы. Если есть два варианта этой величины, то она может быть равна номеру группы или восемь минус номер группы. Существуют также специальные таблицы, по которым можно узнать эту характеристику.