Чем объясняется существование элементов с постоянной валентностью
Элементы с постоянной валентностью
Понятие валентность
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. В представлении метода валентных связей числовое значение валентности соответствует числу ковалентных связей, которые образует атом.
Элементы с постоянной валентностью
Существуют элементы с т.н. постоянной валентностью (металлы IA и IIA групп, алюминий водород, фтор, кислород и т.д.), которые в своих соединениях проявляют единственную степень окисления, которая чаще всего совпадает с номером группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева, где они расположены). Рассмотрим на примере некоторых химических элементов.
Валентность элементов главной подгруппы I группы равна единице, так ка на внешнем уровне атомы этих элементов имеют один электрон:
3Li 1s 2 2s 1
11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
Валентность элементов главной подгруппы II группы в основном (невозбужденном) состоянии равна нулю, так как на внешнем энергетическом уровне нет неспаренных электронов:
4Be1s 2 2s 2
12Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
При возбуждении этих атомов спаренные s-электроны разъединяются в свободные ячейки p-подуровня этого же уровня и валентность становится равной двум (II):
Кислород и фтор во всех соединениях проявляют постоянную валентность, равную двум (II) для кислорода и единице (I) для фтора. Валентные электроны этих элементов находятся на втором энергетическом уровне, где нет более свободных ячеек:
8O 1s 2 2s 2 2p 4
9F 1s 2 2s 2 2p 5
Примеры решения задач
| Задание | Число неспаренных электронов в атоме бора в основном состоянии такое же, как и в атоме: 1) рубидия; 2) кремния; 3) кислорода; 4) кальция. |
| Решение | Число неспаренных электронов в атоме химического элемента чаще всего равно одному из значений валентности, которые проявляет этот элемент. Чтобы определить число неспаренных электронов в атоме бора в основном состоянии запишем электронную формулу этого элемента: |
На внешнем электронном уровне бора находится 3 электрона из которых только один неспаренный. Один неспаренный электрон в основном состоянии также имеет рубидий, поскольку он расположен в IA группе и на его внешнем электронном уровне находится всего один электрон, который, естественно, является неспаренным.
| Задание | Определите валентность элементов в следующих соединениях: а) NH3; б) SO2; в) CO2; г) H2S; д) P2O5. |
| Решение | Определение валентностей элементов в химическом соединении стоит начинать с указания валентности известного элемента. В варианте «а» — это водород, поскольку его валентность всегда равна I: |
Далее определяем общее число единиц валентности атомов этого элемента:
Проставляем полученное значение справа от химического знака этого элемента, обозначая арабскими цифрами:
Теперь делим общее число единиц валентности на число атомов (индекс) элемента, для которого известна валентность:
Поставим полученное частное (3) римской цифрой над искомым элементом как его валентность:
Значит валентность элементов в соединении NH3 равна: у азота – III и у водорода – I.
Аналогичным образом определяем валентности элементов в других соединениях: б) S IV O II 2; в) C IV O II 2; г) H I 2S II ; д) P V 2O II 5.
Урок 6. Валентность
В уроке 6 «Валентность» из курса «Химия для чайников» дадим определение валентности, научимся ее определять; рассмотрим элементы с постоянной и переменной валентностью, кроме того научимся составлять химические формулы по валентности. Напоминаю, что в прошлом уроке «Химическая формула» мы дали определение химическим формулам и их индексам, а также выяснили различия химических формул веществ молекулярного и немолекулярного строения.
Вы уже знаете, что в химических соединениях атомы разных элементов находятся в определенных числовых соотношениях. От чего зависят эти соотношения?
Рассмотрим химические формулы нескольких соединений водорода с атомами других элементов:
Нетрудно заметить, что атом хлора связан с одним атомом водорода, атом кислорода — с двумя, атом азота — с тремя, а атом углерода — с четырьмя атомами водорода. В то же время в молекуле углекислого газа СО2 атом углерода связан с двумя атомами кислорода. Из этих примеров видно, что атомы обладают разной способностью соединяться с другими атомами. Такая способность атомов выражается с помощью численной характеристики, называемой валентностью.
Валентность — численная характеристика способности атомов данного элемента соединяться с другими атомами.
Поскольку один атом водорода может соединиться только с одним атомом другого элемента, валентность атома водорода принята равной единице. Иначе говорят, что атом водорода обладает одной единицей валентности, т. е. он одновалентен.
Валентность атома какого-либо другого элемента равна числу соединившихся с ним атомов водорода. Поэтому в молекуле HCl у атома хлора валентность равна единице, а в молекуле H2O у атома кислорода валентность равна двум. По той же причине в молекуле NH3 валентность атома азота равна трем, а в молекуле CH4 валентность атома углерода равна четырем. Если условно обозначить единицу валентности черточкой |, вышесказанное можно изобразить схематически:
Следовательно, валентность атома любого элемента есть число, которое показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента связан данный атом в химическом соединении.
Численные значения валентности обозначают римскими цифрами над символами химических элементов:
Определение валентности
Однако водород образует соединения далеко не со всеми элементами, а вот кислородные соединения есть почти у всех элементов. И во всех таких соединениях атомы кислорода проявляют валентность, равную двум. Зная это, можно определять валентности атомов других элементов в их бинарных соединениях с кислородом. (Бинарными называются соединения, состоящие из атомов двух химических элементов.)
Чтобы это сделать, необходимо соблюдать простое правило: в химической формуле вещества суммарные числа единиц валентности атомов каждого элемента должны быть одинаковыми.
Так, в молекуле воды H2O общее число единиц валентности двух атомов водорода равно произведению валентности одного атома на соответствующий числовой индекс в формуле:
Так же определяют число единиц валентности атома кислорода:
По величине валентности атомов одного элемента можно определить валентность атомов другого элемента. Например, определим валентность атома углерода в молекуле углекислого газа СО2:
Существует и другое соединение углерода с кислородом — угарный газ СО, в молекуле которого атом углерода соединен только с одним атомом кислорода:
Постоянная и переменная валентность
Как видим, углерод соединяется с разным числом атомов кислорода, т. е. имеет переменную валентность. У большинства элементов валентность — величина переменная. Только у водорода, кислорода и еще нескольких элементов она постоянна (см. таблицу).
Составление химических формул по валентности
Зная валентность элементов, можно составлять формулы их бинарных соединений. Например, необходимо записать формулу кислородного соединения хлора, в котором валентность хлора равна семи. Порядок действий здесь таков.
Записываем рядом символы элементов в следующем виде:
Затем находим НОК валентностей обоих элементов. Оно равно 12 ( IV·III ).
Определяем индексы каждого элемента:
Записываем формулу соединения: Si3N4.
В дальнейшем при составлении формул веществ не обязательно указывать цифрами значения валентностей, а необходимые несложные вычисления можно выполнять в уме.
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 6 «Валентность» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Валентность. Определение валентности. Элементы с постоянной валентностью.
Необходимо четко усвоить следующие принципы:
Существуют элементы с постоянной валентностью (их относительно немного) и элементы с переменной валентностью (коих большинство).
Элементы с постоянной валентностью необходимо запомнить:
Остальные элементы могут проявлять разную валентность.
Высшая валентность элемента в большинстве случаев совпадает с номером группы, в которой находится данный элемент.
Например, марганец находится в VII группе (побочная подгруппа), высшая валентность Mn равна семи. Кремний расположен в IV группе (главная подгруппа), его высшая валентность равна четырем.
Следует помнить, однако, что высшая валентность не всегда является единственно возможной. Например, высшая валентность хлора равна семи (убедитесь в этом!), но известны соединения, в которых этот элемент проявляет валентности VI, V, IV, III, II, I.
Если известна валентность одного из элементов в бинарном соединении, можно найти валентность другого.
Зная валентности двух элементов, можно составить формулу бинарного соединения.
Ответ прост: берите минимально возможные значения х и у. В приведенном примере эти минимальные (натуральные!) значения как раз и равны 1 и 2.
Несмотря на все сказанное, в большинстве случаев можно руководствоваться правилом: берите наименьшие значения индексов.
Вот, собственно, и все основные моменты.
Хотите узнать, почему «классическое» определение валентности часто не «работает»? Почему валентность железа в FeO не равна двум? Почему для описания комплексных веществ используется понятие «координационное число»?
Валентность элементов
Рассмотрим химические формулы соединений некоторых элементов с водородом:
HCl H2O NH3 CH4
Как видно из этих примеров, атомы элементов хлора, кислорода, азота, углерода присоединяют не любое, а только определенное число атомов водорода (1, 2, 3, 4 атома соответственно).
Формулы соединений некоторых элементов с кислородом — СаО, СО, SО3 — показывают, что атомы кальция, углерода, серы присоединяют разное число атомов кислорода.
Можно привести и другие примеры, которые показывают, что атомы различных элементов обладают способностью присоединять не любое, а определенное число атомов других элементов. Это важное свойство элементов называется валентностью.
Валентность элемента — это способность атома данного элемента присоединять определенное число других атомов с образованием химических связей.
Валентность обычно обозначается римскими цифрами: I, II, III, IV,V, VI, VII, VIII.
Некоторые элементы имеют постоянную валентность.
Элементы с постоянной валентностью — это элементы, которые во всех соединениях проявляют одинаковую валентность.
Элементами с постоянной валентностью I являются: водород Н, фтор F, щелочные металлы: литий Li, натрий Na, калий K и др.
Атомы этих одновалентных элементов всегда образуют только одну химическую связь.
Элементы с постоянной валентностью II:
Элемент с постоянной валентностью III — алюминий Al. Большинство элементов имеют переменную валентность.
Элементы с переменной валентностью — это элементы, которые в разных соединениях могут иметь различные значения валентности.
Следовательно, атомы этих элементов в разных соединениях могут образовывать различное число химических связей.
Химия
Именная карта банка для детей
с крутым дизайном, +200 бонусов
Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы
План урока:
Валентность
Представьте на минуточку, что атомы не могли бы соединяться между собой, какой вид имела бы планета, а вопрос: «Существовала ли вообще Солнечная система?» Именно благодаря тому, что атомы соединяются между собой, существуют вещества, а также и мы.
Вернёмся к деталям, мы их будем сравнивать с атомами, а их внешний вид, с количеством связей, которые они могут образовать.
Представим, что в нашем распоряжении есть вот такие детали.
Валентность элементов обусловлена количеством неспаренных электронов на внешнем уровне.
Они могут отличаться цветом, формой, однако их объединяет количество связей, которые они способны образовать. Иначе говоря, что щелочные металлы одновалентны.
Это правило срабатывает и для элементов II группы, только они будут иметь вид двойных деталей.
Как возможно Вы заметили, или вспомнили с темы строение атома, что высшая валентность определяется номером группы, но не всегда ей равна. Исключением с данного правила являются атомы элементов таких как азот, фтор и кислород.
Почему фтор, находясь в VII группе, имеет валентность постоянную равную единице. В то время, для других его родственников, она будет равнять I, III, V или даже VII.
Причины постоянной и переменной валентности
Для большинства элементов характерно иметь переменную валентность. Но для некоторых она будет постоянной. Некоторые элементы Вам уже известны, пополнит этот список кислород и цинк, которые всегда двухвалентны, алюминий имеет число связей III.
Расположение элементов в периодической таблице подсказывает, о количестве связей, которые могут они образовать.
Определение валентности элементов по формулам
На рисунке изображены молекулы известных Вам веществ: это аммиак NH3, запах этого газа очень резкий и его трудно забыть, если хоть раз ощущали запах нашатырного спирта, с помощью его приводят людей в чувство после обморока.
Молекула Н2О окружает нас повсюду. Во всех этих соединениях имеются атомы водорода, только в разных количествах. Давайте попробуем определить валентность по формуле вещества. Вспомним, что водород одновалентен. Если в аммиаке водорода насчитываем 3 атома, значит азот, условно, можем изобразить в виде такой детали.
Как видно с рисунка, он имеет валентность III. Поэтому принципу определим валентность углерода, приходим к выводу, что он четырёхвалентен.
Но не всегда мы видим структурные формулы, которые отображают связи между атомами, и не всегда имеем дело с одновалентными элементами. Возьмём, к примеру, вещество состава Р2О5. На два атома фосфора приходится 5 атомов кислорода. Постоянную валентность имеет кислород, которая равняется II. Чтобы определить, какую валентность будет иметь фосфор, необходимо выполнить следующие математические действия.
Встречаются такие соединения, где необходимо определить валентность остатков, входящих в состав кислот. Например, вещество состава Mg3(PO4)2.
Выполним согласно алгоритму. Магний всегда двухвалентен.
Искомая валентность кислотного остатка равна III. Следует заметить, что в веществе всегда находиться элемент, который проявляет постоянную валентность.
При написании уравнений реакций возникает необходимость составления формул веществ. Рассмотрим реакцию обмена между оксидом алюминия и соляной кислотой.
В результате обмена образуется два вещества состава AlCl и НО. Чтобы определить количественный состав в веществах, воспользуемся следующим алгоритмом.
Составление химических формул по валентности
Уравнение приобретает вид
Обратите внимание, что количество атомов отличается в реагентах и продуктах, его необходимо уравнять.
Составим формулы веществ по валентности элементов.
Немаловажную роль наравне с валентностью играет такое понятие как степень окисления (СО).
Термин валентность применим для соединений, имеющих молекулярное строение. Но, как известно, ещё существуют вещества ионного строения, которые образуются за счёт электростатического притяжения между разноимёнными зарядами. Каким образом они образуются? Чтобы ответить на данный вопрос, вспомним об электроотрицательности.
При образовании вещества, одни атомы будут отдавать свои электроны, другие – принимать. Рассмотрим на примере соединений молекулярного строения Cl2, HCl и ионного NaCl.
Обратите внимание, что вещества молекулярного строения, имеют структурную формулу, соединение атомов между собой показывается в виде черты – между ними. Для веществ имеющих строение, отличающее от молекулярного, более применимо понятие степени окисления, которое имеет универсальное применение для всех типов веществ.
А вот какую степень окисления имеет простое вещество. Атомы равноценные партнёры, поэтому она будет нулевая.
Правила определения степени окисления
Подобно валентности, для определённых элементов свойственна постоянная степень окисления. Это металлы, которые отличаются малым количеством электронов внешнего слоя. Отличительной характеристикой их будет невозможность иметь отрицательный заряд, поскольку они ВСЕГДА отдают электроны.
Все эти значения вытекают с периодической системы, которая помогает определить степени окисления элементов.
С таблицы видно, что для большинства элементов эта величина не постоянная.
Чтобы вычислить степень окисления элементов в соединениях, будем руководствоваться следующими правилами.
Как бы то ни было, природа не ограничивается бинарными соединениями. Существует множество веществ состоящих из 2 и более элемента. Впрочем вычисление совсем не отличается, первоначально определяем элементы, имеющие постоянную степень окисления, а дальше проделав нехитрые математические действия находим СО для остальных. Главное правило, чтобы вещество было нейтральным, количество плюсов должно равняться количеству минусов.
К примеру, в веществе H2SO3 самым электроотрицательным является кислород, он заберёт электроны как в водороде, так и в серы, вследствие этого имеет отрицательную СО, а Hи Sстанут положительными. В этом соединение имеются 2 элемента, имеющих известную СО – это Н и О.
Обратите внимание, на нахождение СО в кислотном остатке. В данном случае, мы приравниваем не к 0, а к заряду аниона.
Здесь у серы х внизу