Алгоритм определения валентности: по формуле и таблице Менделеева

Валентность – термин, обозначающий способность атомов химических элементов вступать в соединения с атомами других элементов. С латыни это слово можно перевести как «способность» или «сила». Понятие «валентность» в химии одно из основных. Его ученые начали использовать еще до того, как определили строение атома. Зная, как определить валентность, они смогли описать природу химических связей.

При детальном изучении предложенной химической формулы можно отметить, что количество атомов у одного и того же элемента в разных веществах может отличаться. Возникает вопрос о том, как же определить индекс хим. эл-нта и не ошибиться в написании формулы. Сделать это будет просто, если перед этим познакомиться с таким понятием как «валентность».

Основные сведения

Валентность (V) – это возможность атомов различных химических элементов образовывать связи между собой. Другими словами можно сказать, что это способность атома (мельчайшей частицы) присоединить к себе определенное количество других атомов.

[stop]Это не всегда постоянное число для одного и того же элемента. В разных соединениях последний может обладать различными значениями.[/stop]

Понятие «валентность» было введено еще до того времени, как ученые смогли наконец изучить строение атома (что произошло в 1853 году). В частности, поэтому оно пережило некоторые изменения.

Начало теории, которая объясняет наличие таких связей, изначально положил Франкленд. Но в то время его идеи о присутствии в природе «связывающей силы» не были приняты и распространены среди ученых. Важная, можно сказать, что даже решающая роль в дальнейшем развитии теории принадлежала Кекуле. Но он называл эту способность атомов создавать связи основностью. Также был уверен в том, что это неизменная способность каждой разновидности атомов. Несколько позже теория была дополнена. Свою лепту в ее формирование внес ученый Бутлеров. Постепенно на основе теории химики получили возможность изображать молекулы, что помогло им в изучении строения различных веществ, присутствующих в природе.

В дальнейшем же теория развивалась благодаря тому, что Менделеев представил широкой общественности свое научное открытие — учение о периодическом изменении свойств элементов.

Если посмотреть на валентность с точки зрения электронной теории, то можно определить, что она напрямую связана с количеством внешних электронов атома. Основываясь на этом, ученые под «валентностью» стали подразумевать то число электронных пар, которыми он может быть связан с другими атомами. Данное положение позволило в дальнейшем им определить и описать природу химической связи. Суть ее в том, что пара микрочастиц определенного вещества делит между собой тоже пару валентных электронов.

Химикам 19 века все же удавалось определять валентность еще тогда, когда они не подозревали о существовании такой мельчайшей частицы, как атом. Это было непросто. Определение проводилось с опорой на химический анализ.

С помощью химического анализа ученым удавалось определить точный состав химического соединения – сколько мельчайших частиц различных элементов присутствует в 1 молекуле. Такой способ достаточно сложен. Химикам необходимо было сначала определить точную массу каждого из эл-тов в образце вещества без примесей.

У данной методики были и свои недостатки. Например, определить V эл-нта возможно было только в простом соединении с одновалентным гидридом или двухвалентным оксидом. Это говорит о том, что такой способ определить V допустимо применять только к простым веществам. Для кислот он не подходит. Его можно применить к ним, но в таком случае получится определить только V кислотных остатков.

Валентность и электронная теория

Опираясь на электронную теорию можно сказать, что V мельчайших частиц можно определить на основании числа непарных электронов, которые принимают непосредственное участие в процессе образования электронных пар с электронами других таких же частиц.

Стоит отметить, что в образовании химических связей задействованы только те электроны, которые располагаются на внешней оболочке атома. Поэтому можно определить, что максимальная V равна числу электронов во внешней оболочке. Понятие валентность и ее определение связано с Периодическим законом, который открыл Менделеев.

Определение по таблице Д. И. Менделеева

Чтобы определить V по таблице Менделеева необходимо знать, что такое группы и подгруппы периодической таблицы. Это вертикальные столбцы, которые делят все эл-нты по определенному признаку. В зависимости от признака, выделяют подразделения. Этими столбцами эл-нты делятся на тяжелые и легкие, а также подгруппы — галогены, инертные газы и тому подобное.

Итак, чтобы определить V нужно руководствоваться двумя правилами:

Высшая V (ВВ) элемента равна номеру его группы.
Низшая V (НВ) находится как разница между числом 8 и номером группы, в которой расположен данный элемент.

Пример определения: фосфор проявляет ВВ – P₂O₅ и НВ (8-5)=3– PF₃.

Периодическая система химических элементов

Таблица Менделеева (нажмите для увеличения)

Стоит также отметить несколько основных характеристик и особенностей, которые стоит учитывать переде тем, как определить этот показатель:

V водорода всегда I – H₂O, HNO₃, H₃PO₄.
Кислорода всегда равна II – CO₂, SO₃.
У металлов, которые расположены в главной подгруппе, этот показатель всегда равен номеру группы – Al₂O₃, NaOH, KH.
Для неметаллов чаще всего проявляются только две V– высшая и низшая.

Также существуют эл-нты, у которых может быть 3 или 4 разных значений этого показателя. К ним относятся хлор, бор, йод, хром, сера и другие. Например, хлор обладает показателями I, III, V, VII – HCl, ClF₃,ClF₅,HClO₄ соответственно.

Определение по формуле

Чтобы определить по формуле можно воспользоваться несколькими правилами:

Если известна валентность (V) одного из эл-нтов в двойном соединении: допустим, есть соединение углерода и кислорода СО₂, при этом мы знаем, что V кислорода всегда равна II, тогда для определения можем воспользоваться таким правилом: произведение числа атомов на его V одного эл-нта должно равняться произведению числа атомов другого эл-нта на его V. Таким образом, V углерода можно определить так – 2×2 (в молекуле 2 атома кислорода с V= 2), то есть она будет равняться 4. Рассмотрим еще несколько примеров, как определить валентность: P₂O₅ – тут V фосфора = (5*2)/2 = 5. HCl – V хлора будет равна I, так как в этой молекуле 1 атом водорода, и V= 1.
Если известна V нескольких эл-нтов, которые составляют группу, определить можно так: в молекуле гидроксида натрия NaOH V кислорода равняется II, а V 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, в то время как валентность – это количество связей, которые оно может установить.

Рассмотрим подробнее, что такое степень окисления. Согласно современной теории о строении атома, ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов без заряда, а вокруг него находятся электроны с отрицательным зарядом, которые уравновешивают заряд ядра и делают его 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 он отдает электрон, он становится положительно заряженным, а если принимает – отрицательным.

[warning]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, HNO₃ и H₂SO₄, степени окисления будут такими – H⁺¹N⁺⁵O₃ ^-2 и H₂ ⁺¹S ⁺⁶O₄ ^-2.[/warning]

Сравнивая два этих определения, можно сделать вывод, что они часто совпадают: V водорода +1 и V 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 H₂O₂ 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 при определении.

Валентности распространенных элементов

Водород

Встречается во многих соединениях и можно определить, что его 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 (в таком случае его электронная оболочка полностью заполнится).

Пример: H₂O – 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.

Углерод

Углерод может обладать либо V II, либо IV. Связано это со строением внешнего электронного уровня, на котором находится 2 электрона, в случае если он их отдаст, его V будет II. То есть 2 электрона установили 2 новые связи, например, соединение CO – угарный газ, где и кислород, и водород двухвалентные. Однако бывают ситуации, когда один электрон с первого уровня переходит на второй, тогда у углерода образуется 4 свободных электрона, которые могут образовывать связи: СО₂, НСООН, Н₂СО₃.

Фосфор

Может обладать валентностью III и V. Как и в предыдущих случаях, связанно это со строением внешнего электронного уровня, на котором у него располагается 3 электрона, то есть возможность образовать 3 связи, но, как и углерод, у него возможен переход 1 электрона с s-орбитали на d-орбиталь, тогда неспаренных электронов станет 5, а значит. Например: РН₃, Р₂О₅, Н₃РО₄.

Цинк

Цинк может обладать только валентностью, которая равна номеру его группы, то есть 2. Во всех своих соединениях валентность цинка равна II и не зависит от типа элемента и вида связи с ним. Пример: ZnCl₂, ZnO, ZnH₂, ZnSO₄.

Видео по теме: Определение валентности химических элементов:

Видео по теме: Изучение валентности по периодической таблице Менделеева:

О том, как определить валентность, школьникам рассказывают на уроках химии в 8 классе. У многих именно эта тема вызывает значительные трудности. Но на самом деле, если разобраться в понятии, подробно ознакомиться с периодической таблицей Менделеева и немного потренироваться с формулами, то можно определить этот показатель без особого труда.

Статья по теме: Основной закон Гесса и следствия из него.