ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Способность атома к образованию химических связей называют валентностью . Количественной мерой валентности принято считать число разных атомов в молекуле, с которыми данный элемент образует связи.

Согласно обменному механизму метода валентных связей, валентность химических элементов определяется числом содержащихся в атоме неспаренных электронов. Для s- и p-элементов - это электроны внешнего уровня, для d-элементов - внешнего и предвнешнего уровней.

Значения высшей и низшей валентностей химического элемента можно определить при помощи Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Высшая валентность элемента совпадает с номером группы, в которой он расположен, а низшая представляет собой разность между числом 8 и номером группы. Например, бром расположен в VIIA группе, значит его высшая валентность равна VII, а низшая - I.

Спаренные (расположенные по два на атомных орбиталях) электроны при возбуждении могут разъединяться при наличии свободных ячеек того же уровня (разъединение электронов в какой-либо уровень невозможно). Рассмотрим на примере элементов Iи II групп. Например, валентность элементов главной подгруппы I группы равна единице, так ка на внешнем уровне атомы этих элементов имеют один электрон:

3 Li 1s 2 2s 1

Валентность элементов главной подгруппы II группы в основном (невозбужденном) состоянии равна нулю, так как на внешнем энергетическом уровне нет неспаренных электронов:

4 Be 1s 2 2 s 2

При возбуждении этих атомов спаренные s-электроны разъединяются в свободные ячейки p-подуровня этого же уровня и валентность становится равной двум (II):

Степень окисления

Для характеристики состояния элементов в соединениях введено понятие степени окисления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Число электронов, смещенных от атома данного элемента или к атому данного элемента в соединении называют степенью окисления .

Положительная степень окисления обозначает число электронов, которые смещаются от данного атома, а отрицательная - число электронов, которые смещаются к данному атому.

Из этого определения следует, что в соединениях с неполярными связями степень окисления элементов равна нулю. Примерами таких соединений могут служить молекулы, состоящие из одинаковых атомов (N 2 , H 2 , Cl 2).

Степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю, так как распределение электронной плотности в них равномерно.

В простых ионных соединениях степень окисления входящих в них элементов равна электрическому заряду, поскольку при образовании этих соединений происходит практически полный переход электронов от одного атома к другому: Na +1 I -1 , Mg +2 Cl -1 2 , Al +3 F -1 3 , Zr +4 Br -1 4 .

При определении степени окисления элементов в соединениях с полярными ковалентными связями сравнивают значениях их электроотрицательностей. Поскольку при образовании химической связи электроны смещаются к атомам более электроотрицательных элементов, то последние имеют в соединениях отрицательную степень окисления.

Понятие степени окисления для большинства соединений имеет условных характер, так как не отражает реальный заряд атома. Однако это понятие весьма широко используется в химии.

Большинство элементов могут проявлять разную степень окисления в соединениях. При определении их степени окисления пользуются правилом, согласно которому сумма степеней окисления элементов в электронейтральныхмолекуах равна нулю, а в сложных ионах - заряду этих ионов. В качестве примера рассчитаем степень окисления азота в соединениях состава KNO 2 и HNO 3 . Степень окисления водорода и щелочных металлов в соединениях равна (+), а степень окисления кислорода - (-2). Соответственно степень окисления азота равна:

KNO 2 1+ x + 2 × (-2) = 0, x=+3.

HNO 3 1+x+ x + 3 × (-2) = 0, x=+5.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Валентность IV характерна для: а)Ca; б) P; в) O; г)Si?
Решение	Для того, чтобы дать верный ответ на поставленный вопрос будем рассматривать каждый из предложенных вариантов в отдельности. а) Кальций - металл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность кальция равна II. Ответ неверный. б) Фосфор - неметалл. Относится к группе химических элементов с переменной валентностью: высшая определяется номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. равна V, а низшая -разностью между числом 8 и номером группы, т.е. равна III. Ответ неверный. в) Кислород — неметалл. Характеризуется единственно возможным значением валентности равным II. Ответ неверный. г) Кремний — неметалл. Характеризуется единственно возможным значением валентности, совпадающим с номером группы в Периодической таблице Д.И. Менделеева, в которой он расположен, т.е. валентность кремния равна IV. Это верный ответ.
Ответ	Вариант (г)

ПРИМЕР 2

Задание	Какую валентность имеет железо в соединении, которое образуется при его взаимодействии с соляной кислотой: а)I; б) II; в) III; г) VIII?
Решение	Запишем уравнение взаимодействия железа с соляной кислотой: Fe + HCl = FeCl 2 + H 2 . В результате взаимодействия образуется хлорид железа и выделяется водород. Чтобы определить валентность железа по химической формуле, сначала считаем количество атомов хлора: Вычисляем общее число единиц валентности хлора: Определяем число атомов железа: оно равно 1. Тогда валентность железа в его хлориде будет равна:
Ответ	Валентность железа в соединении, образовавшемся при его взаимодействии с соляной кислотой равна II.

Электроотрицательность (ЭО) — это способность атомов притягивать электроны при связывании с другими атомами.

Электроотрицательность зависит от расстояния между ядром и валентными электронами, и от того, насколько валентная оболочка близка к завершенной. Чем меньше радиус атома и чем больше валентных электронов, тем выше его ЭО.

Фтор является самым электроотрицательным элементом. Во-первых, он имеет на валентной оболочке 7 электронов (до октета недостает всего 1-го электрона) и, во-вторых, эта валентная оболочка (…2s 2 2p 5) расположена близко к ядру.

Менее всего электроотрицательны атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Они имеют большие радиусы и их внешние электронные оболочки далеки от завершения. Им гораздо проще отдать свои валентные электроны другому атому (тогда предвнешняя оболочка станет завершенной), чем «добирать» электроны.

Электроотрицательность можно выразить количественно и выстроить элементы в ряд по ее возрастанию. Наиболее часто используют шкалу электроотрицательностей, предложенную американским химиком Л. Полингом.

Разность электроотрицательностей элементов в соединении (ΔX ) позволит судить о типе химической связи. Если величина Δ X = 0 – связь ковалентная неполярная .

При разности электроотрицательностей до 2,0 связь называют ковалентной полярной , например: связь H-F в молекуле фтороводорода HF: Δ X = (3,98 — 2,20) = 1,78

Связи с разностью электроотрицательностей больше 2,0 считаются ионными . Например: связь Na-Cl в соединении NaCl: Δ X = (3,16 — 0,93) = 2,23.

Степень окисления

Степень окисления (СО) — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что молекула состоит из ионов и в целом электронейтральна.

При образовании ионной связи происходит переход электрона от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному, атомы теряет свою электронейтральность, превращается в ионы. возникают целочисленные заряды. При образовании ковалентной полярной связи электрон переходит не полностью, а частично, поэтому возникают частичные заряды (на рисунке ниже HCl). Представим, что электрон перешел полностью от атома водорода к хлору, и на водороде возник целый положительный заряд +1, а на хлоре -1. такие условные заряды и называют степенью окисления.

На этом рисунке изображены степени окисления, характерные для первых 20 элементов.
Обратите внимание. Высшая СО как правило равна номеру группы в таблице Менделеева. У металлов главных подгрупп – одна характерная СО, у неметаллов, как правило, наблюдается разброс СО. Поэтому неметаллы образуют большое количество соединений и обладают более «разнообразными» свойствами, по сравнению с металлами.

Примеры определения степени окисления

Определим степени окисления хлора в соединениях:

Те правила, которые мы рассмотрели не всегда позволяют рассчитать СО всех элементов, как например в данной молекуле аминопропана.

Здесь удобно пользоваться следующим приемом:

1)Изображаем структурную формулу молекулы, черточка – это связь, пара электронов.

2) Черточку превращаем в стрелку, направленную к более ЭО атому. Эта стрелка символизирует переход электрона к атому. Если связаны два одинаковых атома, оставляем черту как есть – нет перехода электронов.

3) Считаем сколько электронов «пришло» и «ушло».

Например, посчитаем заряд первого атома углерода. Три стрелки направленны к атому, значит, 3 электрона пришло, заряд -3.

Второй атом углерода: водород отдал ему электрон, а азот забрал один электрон. Заряд не поменялся, равен нулю. И т.д.

Валентность

Вале́нтность (от лат. valēns «имеющий силу») - способность атомов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

В основном, под валентностью понимается способность атомов к образованию определённого числа ковалентных связей . Если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар, то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами, т.е. его валентность будет равна n + m . При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации «возбуждённого» состояния. Например, максимальная валентность атома бериллия, бора и азота равна 4 (например, в Be(OH) 4 2- , BF 4 — и NH 4 +), фосфора - 5 (PCl 5), серы - 6 (H 2 SO 4), хлора - 7 (Cl 2 O 7).

В ряде случаев, валентность может численно совпадать со степенью окисления, но ни коим образом они не тождественны друг другу. Например, в молекулах N 2 и CO реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления азота равна 0, углерода +2, кислорода −2.

В азотной кислоте степень окисления азота равна +5, тогда как азот не может иметь валентность выше 4, т.к имеет только 4 орбитали на внешнем уровне (а связь можно рассматривать как перекрывание орбиталей). И вообще, любой элемент второго периода по этой же причине не может иметь валентность большую 4.

Ещё несколько «коварных» вопросов, в которых часто делают ошибки.

Электроотрицательность, степень окисления и валентность химических элементов

Электроотрицательность

В химии широко применяется понятие электроотрицательности (ЭО) .

Свойство атомов данного элемента оттягивать на себя электроны от атомов других элементов в соединениях называют электроотрицательностью.

Электроотрицательность лития условно принимается за единицу, ЭО других элементов вычисляют соответственно. Существует шкала значений ЭО элементов.

Числовые значения ЭО элементов имеют приблизительные значения: это безразмерная величина. Чем выше ЭО элемента, тем ярче проявляются его неметаллические свойства. По ЭО элементы можно записать следующим образом:

$F > O > Cl > Br > S > P > C > H > Si > Al > Mg > Ca > Na > K > Cs$. Наибольшее значение ЭО имеет фтор.

Сопоставляя значения ЭО элементов от франция $(0,86)$ до фтора $(4,1)$, легко заметить, что ЭО подчиняется Периодическому закону.

В Периодической системе элементов ЭО в периоде растет с увеличением номера элемента (слева направо), а в главных подгруппах — уменьшается (сверху вниз).

В периодах по мере увеличения зарядов ядер атомов число электронов на внешнем слое увеличивается, радиус атомов уменьшается, поэтому легкость отдачи электронов уменьшается, ЭО возрастает, следовательно, усиливаются неметаллические свойства.

Степень окисления

Сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, называют бинарными (от лат. би — два ), или двухэлементными.

Вспомним типичные бинарные соединения, которые приводились в качестве примера для рассмотрения механизмов образования ионной и ковалентной полярной связи: $NaCl$ — хлорид натрия и $HCl$ — хлороводород. В первом случае связь ионная: атом натрия передал свой внешний электрон атому хлора и превратился при этом в ион с зарядом $+1$, а атом хлора принял электрон и превратился в ион с зарядом $-1$. Схематически процесс превращения атомов в ионы можно изобразить так:

${Na}↖{0}+{Cl}↖{0}→{Na}↖{+1}{Cl}↖{-1}$.

В молекуле же $HCl$ связь образуется за счет спаривания неспаренных внешних электронов и образования общей электронной пары атомов водорода и хлора.

Правильнее представлять образование ковалентной связи в молекуле хлороводорода как перекрывание одноэлектронного $s$-облака атома водорода одноэлектронным $р$-облаком атома хлора:

При химическом взаимодействии общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома хлора: ${H}↖{δ+}→{Cl}↖{δ−}$, т.е. электрон не полностью перейдет от атома водорода к атому хлора, а частично, обусловливая тем самым частичный заряд атомов $δ$: $H^{+0,18}Cl^{-0,18}$. Если же представить, что и в молекуле $HCl$, как и в хлориде $NaCl$, электрон полностью перешел от атома водорода к атому хлора, то они получили бы заряды $+1$ и $-1$: ${H}↖{+1}{Cl}↖{−1}. Такие условные заряды называют степенью окисления. При определении этого понятия условно предполагают, что в ковалентных полярных соединениях связующие электроны полностью перешли к более электроотрицательному атому, а потому соединения состоят только из положительно и отрицательно заряженных атомов.

Степень окисления — это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения (и ионные, и ковалентно-полярные) состоят только из ионов.

Степень окисления может иметь отрицательное, положительное или нулевое значение, которое обычно ставится над символом элемента сверху, например:

${Na_2}↖{+1}{S}↖{-2}, {Mg_3}↖{+2}{N_2}↖{-3}, {H_3}↖{-1}{N}↖{-3}, {Cl_2}↖{0}$.

Отрицательное значение степени окисления имеют те атомы, которые приняли электроны от других атомов или к которым смещены общие электронные пары, т.е. атомы более электроотрицательных элементов.

Положительное значение степени окисления имеют те атомы, которые отдают свои электроны другим атомам или от которых оттянуты общие электронные пары, т.е. атомы менее электроотрицательных элементов.

Нулевое значение степени окисления имеют атомы в молекулах простых веществ и атомы в свободном состоянии.

В соединениях суммарная степень окисления всегда равна нулю. Зная это и степень окисления одного из элементов, всегда можно найти степень окисления другого элемента по формуле бинарного соединения. Например, найдем степень окисления хлора: $Cl_2O_7$. Обозначим степень окисления кислорода: ${Cl_2}{O_7}↖{-2}$. Следовательно, семь атомов кислорода будут иметь общий отрицательный заряд $(-2)·7=-14$. Тогда общий заряд двух атомов хлора равен $+14$, а одного атома хлора $(+14):2=+7$.

Аналогично, зная степени окисления элементов, можно составить формулу соединения, например, карбида алюминия (соединения алюминия и углерода). Запишем знаки алюминия и углерода рядом — $AlC$, причем сначала — знак алюминия, т.к. это металл. Определим по таблице элементов Менделеева число внешних электронов: у $Al$ — $3$ электрона, у $С$ — $4$. Атом алюминия отдаст свои три внеш них электрона углероду и получит при этом степень окисления $+3$, равную заряду иона. Атом углерода, наоборот, примет недостающие до «заветной восьмерки» $4$ электрона и получит при этом степень окисления $-4$. Запишем эти значения в формулу $({Al}↖{+3}{C}↖{-4})$ и найдем наименьшее общее кратное для них, оно равно $12$. Затем рассчитаем индексы:

Валентность

Очень важное значение в описании химического строения органических соединений имеет понятие валентности.

Валентность характеризует способность атомов химических элементов к образованию химических связей; она определяет число химических связей, которыми данный атом соединен с другими атомами в молекуле.

Валентность атома химического элемента определяется, в первую очередь, числом неспаренных электронов, принимающих участие в образовании химической связи.

Валентные возможности атомов определяются:

• числом неспаренных электронов (одноэлектронных орбиталей);
• наличием свободных орбиталей;
• наличием неподеленных пар электронов.

В органической химии понятие «валентность» замещает понятие «степень окисления», с которым привычно работать в неорганической химии. Однако это не одно и то же. Валентность не имеет знака и не может быть нулевой, тогда как степень окисления обязательно характеризуется знаком и может иметь значение, равное нулю.

Валентность и степень окисления – понятия, часто применяемые в неорганической химии. Во многих химических соединениях значение валентности и степень окисления элемента совпадают, именно по этой причине у школьников и студентов часто возникает путаница. У этих понятий действительно есть кое-что общее, но отличия более существенны. Чтобы понять, чем же отличаются эти два понятия, стоит узнать о них больше.

Сведения о степени окисления

Степень окисления – вспомогательная величина, приписываемая атому химического элемента или группе атомов, которая показывает, каким образом распределены общие пары электронов между взаимодействующими элементами.

Это вспомогательная величина, не имеющая физического смысла как такового. Ее суть достаточно просто объяснить с помощью примеров:

Молекула пищевой соли NaCl состоит из двух атомов – атома хлора и атома натрия. Связь между этими атомами ионная. У натрия на валентном уровне 1 электрон, значит у него с атомом хлора одна общая электронная пара. Из этих двух элементов хлор более электроотрицателен (обладает свойством смешать к себе электронные пары), то единственная общая пара электронов сместится к нему. В соединении элемент с более высокой электротрицательностью имеет отрицательную степень окисления, менее электроотрицательный, соответственно, положительную, а ее значение равно количеству общих пар электронов. Для рассматриваемой молекулы NaCl степени окисления натрия и хлора будут выглядеть так:

Хлор, со смещенной к нему электронной парой, теперь рассматривают как анион, то есть атом, присоединивший к себе дополнительный электрон, а натрий – как катион, то есть атом, отдавший электрон. Но при записи степени окисления на первом месте идет знак, а на втором числовое значение, а при записи ионного заряда – наоборот.

Степень окисления можно определить как число электронов, которых положительному иону не хватает до электронейтрального атома, или которые нужно забрать у отрицательного иона, чтобы окислить до атома. На данном примере очевидно, что положительному иону натрия за счет смещения электронной пары не хватает электрона, а у иона хлора один электрон лишний.

Степень окисления простого (чистого) вещества, не зависимо от его физических и химических свойств, равна нулю. Молекула О 2 , например, состоит из двух атомов кислорода. У них одинаковые значения электроотрицательности, потому общие электроны не смещаются ни к одному из них. Значит, электронная пара находится строго между атомами, потому степень окисления будет нулевой.

Для некоторых молекул бывает сложно определить, куда смещаются электроны, особенно если элементов в ней три или больше. Чтобы высчитать степени окисления в таких молекулах, нужно воспользоваться несколькими простыми правилами:

1. Атом водорода почти всегда имеет постоянную степень окисления +1..
2. Для кислорода этот показатель равен -2. Исключение из этого правила составляют только оксиды фтора

ОF 2 и О 2 F 2 ,

Так как фтор – элемент с наивысшей электроотрицательностью, потому он всегда смещает к себе взаимодействующие электроны. Согласно международным правилам, элемент с меньшим значением электроотрицаельности записывается первым, потому в этих оксидах кислород на первом месте.

• Если суммировать все степени окисления в молекуле, получится ноль.
• Для атомов металлов характерна положительная степень окисления.

При вычислении степеней окисления нужно помнить, что наибольшая степень окисления элемента равна номеру его группы, а минимальная — номер группы минус 8. Для хлора максимальное возможное значение степени окисления +7, потому что он в 7-ой группе, а минимальная 7-8=-1.

Общие сведения о валентности

Валентность – число ковалентных связей, которые может образовывать элемент в разных соединениях.

В отличии от степени окисления, понятие валентности есть реальный физический смысл.

Самый высокий показатель валентности равен номеру группы в таблице Менделеева. Сера S расположена в 6-ой группе, то есть ее максимальная валентность 6. Но она может быть также 2 (H 2 S) или 4 (SO 2).

Почти для всех элементов характерна переменная валентность. Однако есть атомы, для которых эта величина постоянная. К ним относятся щелочные металлы, серебро, водород (их валентность всегда равна 1), цинк (валентность всегда 2), лантан (валентность равна 3).

Что же общего у валентности и степени окисления

1. Для обозначения и той, и другой величины используют положительные целые числа, которые пишутся над латинским обозначением элемента.
2. Наивысшая валентность, как и наибольшая степень окисления, совпадает с номером группы элемента.
3. Степень окисления какого-либо элемента в сложном соединении совпадает с числовым значением одного из показателей валентности. Например, хлор, находясь в 7-ой группе, может иметь валентность 1, 3, 4, 5, 6, или 7, значит возможные степени окисления ±1, +3,+4,+5,+6,+7.

Основные отличия между этими понятиями

1. У понятия «валентность» есть физический смысл, а степень окисления – вспомогательный термин, не имеющий реального физического смысла.
2. Степень окисления может быть нулевой, больше или меньше нуля. Валентность же строго больше нуля.
3. Валентность отображает число ковалентных связей, а степень окисления – распределение электронов в соединении.

Глава 3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Способность атома химического элемента присоединять или замещать определенное число атомов другого элемента с образованием химической связи называется валентностью элемента .

Валентность выражается целым положительным числом, лежащим в интервале от I до VIII. Валентности, равно 0 или больше VIII нет. Постоянную валентность проявляют водород (I), кислород (II), щелочные металлы – элементы первой группы главной подгруппы (I), щелочноземельные элементы – элементы второй группы главной подгруппы (II). Атомы других химических элементов проявляют переменную валентность. Так, переходные металлы – элементы всех побочных подгрупп – проявляют от I до III. Например, железо в соединениях может быть двух- или трехвалентным, медь – одно- и двухвалентна. Атому остальных элементов могут проявлять в соединениях валентность, равную номеру группы и промежуточные валентности. Например, высшая валентность серы равна IV, низшая – II, а промежуточные – I, III и IV.

Валентность равна числу химических связей, которыми атом химического элемента связан с атомами других элементов в химическом соединении. Химическая связь обозначается черточкой (–). Формулы, которые показывают порядок соединения атомов в молекуле и валентность каждого элемента называются графическими.

Степень окисления – это условный заряд атома в молекуле, вычис­ленный в предположении, что все связи имеют ионный характер. Это означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе полностью одну электронную пару, приобретает заряд 1–. Не­полярная ковалентная связь между одинаковыми атомами не дает вклада в степень окисления.

Для вычисления степени окисления элемента в соединении следует исходить из следующих положений:

1) степени окисления элементов в простых веществах принимается равными нулю (Na 0 ; О 2 0);

2) алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю, а в сложном ионе эта сумма равна заряду иона;

3) постоянную степень окисления имеют атомы: щелочных металлов (+1), щелочноземельных металлов, цинка, кадмия (+2);

4) степень окисления водорода в соединениях +1, кроме гидридов металлов (NaH и т.п.), где степень окисления водорода –1;

5) степень окисления кислорода в соединениях –2, кроме пероксидов (–1) и фторида кислорода OF 2 (+2).

Максимальная положительная степень окисления элемента обычно совпадает с номером его группы в периодической системе. Максимальная отрицательная степень окисления элемента равна максимальной положительной степени окисления минус восемь.

Исключение составляют фтор, кислород, железо: их высшая сте­пень окисления выражается числом, значение которого ниже, чем номер группы, к которой они относятся. У элементов подгруппы меди, наоборот, высшая степень окисления больше единицы, хотя они и относятся к I группе.

Атомы химических элементов (кроме благородных газов) могут взаимодействовать между собой или с атомами других элементов образуя б.м. сложные час­тицы – молекулы, молекулярные ионы и свободные радикалы. Химическая связь обусловлена элек­тростатическими силами между атомами, т.е. силами взаимодействия электронов и ядер атомов. В образовании химической связи между атомами главную роль играют валентные электроны , т.е. электроны, расположенные на внешней оболоч­ке.