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 H<sub>2</sub>S Двовалентне, а у формулі SO<sub>3</sub> - шестивалентного. Вуглець утворює з киснем монооксид CO і діоксид CO<sub>2</sub>. 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.