Элементы с постоянной и переменной валентностью таблица. Валентность

До сих пор вы пользовались химическими формулами веществ, приведенными в учебнике, или теми, которые вам называл учитель. Как же правильно составлять химические формулы?

Химические формулы веществ составляются на основе знания качественного и количественного состава вещества. Веществ существует гигантское количество, естественно запомнить все формулы невозможно. Это и не нужно! Важно знать определенную закономерность, согласно которой атомы способны соединяться друг с другом с образованием новых химических соединений. Такая способность называется валентностью.

Валентность – свойство атомов элементов присоединять определенное число атомов других элементов

Рассмотрим модели молекул некоторых веществ, таких, как вода, метан и углекислый газ.

Видно, что в молекуле воды атом кислорода присоединяет два атома водорода. Следовательно, его валентность равна двум. В молекуле метана атом углерода присоединяет четыре атома водорода, его валентность в данном веществе равна четырем. Валентность водорода в обоих случаях равна одному. Такую же валентность углерод проявляет и в углекислом газе, но в отличие от метана, атом углерода присоединяет два атома кислорода, так как валентность кислорода равна двум.

Существуют элементы, валентность которых не меняется в соединениях. О таких элементах говорят, что они обладают постоянной валентностью. Если же валентность элемента может быть различной – это элементы с переменной валентностью. Валентность некоторых химических элементов приведена в таблице 2. Валентность принято обозначать римскими числами.

Таблица 2. Валентность некоторых химических элементов

Стоит отметить, что высшая валентность элемента численно совпадает с порядковым номером группы Периодической Системы, в которой он находится. Например, углерод находиться в IV группе, его высшая валентность равна IV.

Исключение составляют три элемента:

• азот – находится в V группе, но его высшая валентность IV;
• кислород – находится в VI группе, но его высшая валентность II;
• фтор – находится в VII группе, но его высшая валентность – I.

Исходя из того, что все элементы расположены в восьми группах Периодической Системы, валентность может принимать значения от I до VIII.

Составление формул веществ при помощи валентности

Для составления формул веществ при помощи валентности воспользуемся определенным алгоритмом:

Определение валентности по формуле вещества

Чтобы определить валентность элементов по формуле вещества, необходим обратный порядок действий. Рассмотрим его также при помощи алгоритма:

При изучении данного параграфа были рассмотрены сложные вещества, в состав которых входят только два вида атомов химических элементов. Формулы более сложных веществ составляются иначе.

Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов элементов

Для определения порядка последовательности соединения атомов используют структурные (графические) формулы веществ. В таких формулах валентности элементов обозначают валентными штрихами (черточками). Например, молекулу воды можно изобразить как

Н─О─Н

Графическая формула изображает только порядок соединения атомов, но не структуру молекул. В пространстве такие молекулы могут выглядеть иначе. Так, молекула воды имеет угловую структурную формулу:

• Валентность – способность атомов элементов присоединять определенное число атомов других химических элементов
• Существуют элементы с постоянной и переменной валентностью
• Высшая валентность химического элемента совпадает с его номером группы в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Исключения: азот, кислород, фтор
• Бинарные соединения – соединения, в состав которых входит два вида атомов химических элементов
• Графические формулы отражают порядок связей атомов в молекуле при помощи валентных штрихов
• Структурная формула отражает реальную форму молекулы в пространстве

Понятие валентность происходит от латинского слова «valentia» и было известно еще в середине XIX века. Первое «пространное» упоминание валентности было еще в работах Дж. Дальтона, который утверждал, что все вещества состоят из атомов, соединенных между собой в определенных пропорциях. Затем, Франкланд ввел само понятие валентности, которое нашло дальнейшее развитие в трудах Кекуле, который говорил о взаимосвязи валентности и химической связи, А.М. Бутлерова, который в своей теории строения органических соединений связывал валентность с реакционной способностью того или иного химического соединения и Д.И. Менделеева (в Периодической системе химических элементов высшая валентность элемента определяется номером группы).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Валентность – это количество ковалентных связей, которое способен образовывать атом в соединении с ковалентной связью.

Валентность элемента определяется числом неспаренных электронов атоме, поскольку они принимают участие в образовании химической связи между атомами в молекулах соединений.

Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризуется электронной конфигурацией атома, которая соответствует положению элемента в Периодической системе. Возбужденное состояние – это новое энергетическое состояние атома, с новым распределением электронов в пределах валентного уровня.

Электронные конфигурации электронов в атоме можно изобразить не только в виде электронных формул, но и с помощью электронно-графических формул (энергетических, квантовых ячеек). Каждая ячейка обозначает орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки (вверх или вниз) показывает спин электрона, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Если в ячейке 2 электрона, такие электроны называются спаренными, если электрон 1 – неспаренный. Например:

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Орбитали заполняют следующим образом: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2p подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух электронов занял по одной орбитали. Одна орбиталь осталась свободной.

Определение валентности элемента по электронно-графическим формулам

Валентность элемента можно определить по электронно-графическим формулам электронных конфигураций электронов в атоме. Рассмотрим два атома – азота и фосфора.

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

Т.к. валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, следовательно, валентность азота равна III. Поскольку у атома азота нет свободных орбиталей, для этого элемента невозможно возбужденное состояние. Однако III, не максимальная валентность азота, максимальная валентность азота V и определяется номером группы. Поэтому, следует запомнить, что с помощью электронно-графических формул не всегда можно определить высшую валентность, а также все валентности, характерные для этого элемента.

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

В основном состоянии атом фосфора имеет 3 неспаренных электрона, следовательно, валентность фосфора равна III. Однако, в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали, поэтому электроны, находящиеся на 2s – подуровне способны распариваться и занимать вакантные орбитали d-подуровня, т.е. переходить в возбужденное состояние.

Теперь атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, следовательно для фосфора характерна и валентность, равная V.

Элементы, имеющие несколько значений валентности

Элементы IVA – VIIA групп могут иметь несколько значений валентности, причем, как правило, валентность изменяется ступенчато на 2 единицы. Такое явление обусловлено тем, что в образовании химической связи электроны участвуют попарно.

В отличие от элементов главных подгрупп, элементы В-подгрупп, в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы, например, медь и золото. В целом, переходные элементы проявляют большое разнообразие химических свойств, которое объясняется большим набором валентностей.

Рассмотрим электронно-графические формулы элементов и установим, в связи с чем элементы имеют разные валентности (рис.1).

Задания: определите валентные возможности атомов As и Cl в основном и возбужденном состояниях.

Есть элементы, валентность которых всегда постоянна, и их совсем немного. Но все остальные элементы проявляют переменную валентность.

Больше уроков на сайте

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. Вал 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. Вал 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 вал 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, вал равна номеру группы.

6. У неметаллов в основном проявляются две валентности: высшая и низшая.

Образно говоря, вал — это число «рук», которыми атом цепляется за другие атомы. Естественно, никаких «рук» у атомов нет; их роль играют т. н. валентные электроны.

Можно сказать иначе: — это способность атома данного элемента присоединять определенное число других атомов.

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.

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!

Атомы химических элементов могут образовывать различное число связей. Эта способность имеет специальное название – валентность. Давайте разберемся, как определить валентность по таблице Менделеева, узнаем, в чем заключается ее отличие от степени окисления, увидим закономерности, характерные для , углерода, фосфора, цинка, научимся находить валентность химических элементов.

Вконтакте

Основные сведения

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

Важно! Это не всегда постоянное число для одного и того же элемента. В разных соединениях элемент может обладать различными значениями.

Определение по таблице Д.И. Менделеева

Для определения этой способности атома по необходимо знать, что такое группы и подгруппы периодической таблицы .

Это вертикальные столбцы, которые делят все элементы по определенному признаку. В зависимости от признака, выделяют подразделения элементов.

Этими столбцами элементы делятся на тяжелые и легкие элементы, а также подгруппы — галогены, инертные газы и тому подобное.

Итак, для определения способности элемента образовывать связи нужно руководствоваться двумя правилами:

• Высшая валентность элемента равна номеру его группы.
• Низшая валентность находится как разница между числом 8 и номером группы, в которой расположен данный элемент.

Например, фосфор проявляет высшую валентность V – P 2 O 5 и низшую (8-5)=3– PF 3 .

Стоит также отметить несколько основных характеристик и особенностей при определении этого показателя:

• Валентность водорода всегда I – H 2 O, HNO 3 , H 3 PO 4 .
• Валентность всегда равна II – CO 2 , SO 3 .
• У металлов, которые расположены в главной подгруппе, этот показатель всегда равен номеру группы – Al 2 O 3 , NaOH, KH.
• Для неметаллов чаще всего проявляются только две валентности – высшая и низшая.

Также существуют элементы, у которых может быть 3 или 4 разных значений этого показателя. К ним относятся хлор, бор, йод, хром, сера и другие. Например, хлор обладает валентностью I, III, V, VII – HCl, ClF 3 ,ClF 5 ,HClO 4 соответственно.

Определение по формуле

Для определения по формуле можно воспользоваться несколькими правилами:

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

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

Внимание! 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, HNO 3 и H 2 SO 4 , степени окисления будут такими – H +1 N +5 O 3 -2 и H 2 +1 S +6 O 4 -2 .

Сравнивая два этих определения, можно сделать вывод, что валентность и степень окисления часто совпадают: валентность водорода +1 и валентность 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 H 2 O 2 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.

Валентности распространенных элементов

Водород

Один из самых распространенных элементов во вселенной, встречается во многих соединениях и всегда обладает 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 (электронная оболочка полностью заполнится).

Пример: H 2 O – 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.