Определяем валентность химических элементов

Уровень знаний о строении атомов и молекул в XIX веке не позволял объяснить причину, по которой атомы образуют определенное число связей с другими частицами. Но идеи ученых опередили свое время, а валентность до сих пор изучается как один из основных принципов химии.

Из истории возникновения понятия «валентность химических элементов»

Выдающийся английский химик XIX века Эдвард Франкленд ввел термин «связь» в научный обиход для описания процесса взаимодействия атомов друг с другом. Ученый заметил, что некоторые химические элементы образуют соединения с одним и тем же количеством других атомов. Например, азот присоединяет три атома водорода в молекуле аммиака.

В мае 1852 года Франкленд выдвинул гипотезу о том, что существует конкретное число химических связей, которые атом может образовывать с другими мельчайшими частицами вещества. Франкленд использовал фразу «соединительная сила» для описания того, что позже будет названо валентностью. Британский химик установил, сколько химических связей формируют атомы отдельных элементов, известных в середине XIX столетия. Работа Франкленда стала важным вкладом в современную структурную химию.

Развитие взглядов

Немецкий химик Ф.А. Кекуле доказал в 1857 году, что углерод является четырехосновным. В его простейшем соединении — метане — возникают связи с 4 атомами водорода. Термин «основность» ученый применял для обозначения свойства элементов присоединять строго определенное количество других частиц. В России данные о строении вещества систематизировал А. М. Бутлеров (1861). Дальнейшее развитие теория химической связи получила благодаря учению о периодическом изменении свойств элементов. Его автор — другой выдающийся русский химик, Д. И. Менделеев. Он доказал, что валентность химических элементов в соединениях и другие свойства обусловлены тем положением, которое они занимают в периодической системе.

Графическое изображение валентности и химической связи

Возможность наглядного изображения молекул — одно из несомненных достоинств теории валентности. Первые модели появились в 1860-х, а с 1864 года используются структурные формулы, представляющие собой окружности с химическим знаком внутри. Между символами атомов черточкой обозначается химическая связь, а количество этих линий равно значению валентности. В те же годы были изготовлены первые шаростержневые модели (см. фото слева). В 1866 году Кекуле предложил стереохимический рисунок атома углерода в форме тетраэдра, который он и включил в свой учебник «Органическая химия».

Валентность химических элементов и возникновение связей изучал Г. Льюис, опубликовавший свои труды в 1923 году после открытия электрона. Так называются отрицательно заряженные мельчайшие частицы, которые входят в состав оболочек атомов. В своей книге Льюис применил точки вокруг четырех сторон символа химического элемента для отображения валентных электронов.

Валентность по водороду и кислороду

До создания периодической системы валентность химических элементов в соединениях принято было сравнивать с теми атомами, для которых она известна. В качестве эталонов были выбраны водород и кислород. Другой химический элемент притягивал либо замещал определенное количество атомов H и O.

Таким способом определяли свойства в соединениях с одновалентным водородом (валентность второго элемента обозначена римской цифрой):

• HCl — хлор (I):
• H₂O — кислород (II);
• NH₃ — азот (III);
• CH₄ — углерод (IV).

В оксидах K₂O, CO, N₂O₃, SiO₂, SO₃ определяли валентность по кислороду металлов и неметаллов, удвоив число присоединяемых атомов O. Получали следующие значения: K (I), C (II), N (III), Si (IV), S (VI).

Как определять валентность химических элементов

Существуют закономерности образования химической связи с участием общих электронных пар:

• Типичная валентность водорода — I.
• Обычная валентность кислорода — II.
• Для элементов-неметаллов низшую валентность можно определить по формуле 8 - № группы, в которой они находятся в периодической системе. Высшая, если она возможна, определяется по номеру группы.
• Для элементов побочных подгрупп максимально возможная валентность такая же, как номер их группы в периодической таблице.

Определение валентности химических элементов по формуле соединения проводится с использованием следующего алгоритма:

1. Запишите сверху над химическим знаком известное значение для одного из элементов. Например, в Mn₂O₇ валентность кислорода равна II.
2. Вычислите суммарную величину, для чего необходимо умножить валентность на количество атомов того же химического элемента в молекуле: 2*7 = 14.
3. Определите валентность второго элемента, для которого она неизвестна. Разделите полученную в п. 2 величину на количество атомов Mn в молекуле.
4. 14 : 2 = 7. Валентность марганца в его высшем оксиде — VII.

Постоянная и переменная валентность

Значения валентности по водороду и кислороду различаются. Например, сера в соединении H₂S двухвалентна, а в формуле SO₃ - шестивалентна. Углерод образует с кислородом монооксид CO и диоксид CO₂. В первом соединении валентность C равна II, а во втором — IV. Такое же значение в метане CH₄.

Большинство элементов проявляет не постоянную, а переменную валентность, например, фосфор, азот, сера. Поиски основных причин этого явления привели к возникновению теорий химическй связи, представлений о валентной оболочке электронов, молекулярных орбиталях. Существование разных значений одного и того же свойства получило объяснение с позиций строения атомов и молекул.

Современные представления о валентности

Все атомы состоят из положительного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Наружная оболочка, которую они образуют, бывает недостроенной. Завершенная структура наиболее устойчива, она содержит 8 электронов (октет). Возникновение химической связи благодаря общим электронным парам приводит к энергетически выгодному состоянию атомов.

Правилом для формирования соединений является завершение оболочки путем приема электронов либо отдачи неспаренных - в зависимости от того, какой процесс легче проходит. Если атом предоставляет для образования химической связи отрицательные частицы, не имеющие пары, то связей он образует столько, сколько у него неспаренных электронов. По современным представлениям, валентность атомов химических элементов — это способность к образованию определенного числа ковалентных связей. Например, в молекуле сероводорода H₂S сера приобретает валентность II (–), поскольку каждый атом принимает участие в образовании двух электронных пар. Знак «–» указывает на притяжение электронной пары к более электроотрицательному элементу. У менее электроотрицательного к значению валентности дописывают «+».

При донорно-акцепторном механизме в процессе принимают участие электронные пары одного элемента и свободные валентные орбитали другого.

Зависимость валентности от строения атома

Рассмотрим на примере углерода и кислорода, как зависит от строения вещества валентность химических элементов. Таблица Менделеева дает представление об основных характеристиках атома углерода:

• химический знак — C;
• номер элемента — 6;
• заряд ядра — +6;
• протонов в ядре — 6;
• электронов — 6, в том числе 4 внешних, из которых 2 образуют пару, 2 — неспаренных.

Если атом углерода в моноооксиде CO образует две связи, то в его пользование поступает только 6 отрицательных частиц. Для приобретения октета необходимо, чтобы пары образовали 4 внешние отрицательные частицы. Углерод имеет валентность IV (+) в диоксиде и IV (–) в метане.

Порядковый номер кислорода — 8, валентная оболочка состоит из шести электронов, 2 из них не образуют пары и принимают участие в химической связи и взаимодействии с другими атомами. Типичная валентность кислорода — II (–).

Валентность и степень окисления

В очень многих случаях удобнее использовать понятие «степень окисления». Так называют заряд атома, который он приобрел бы, если бы все связывающие электроны перешли к элементу, который имеет выше значение электрооотрицательности (ЭО). Окислительное число в простом веществе равно нулю. К степени окисления более ЭО элемента добавляется знак «–», менее электроотрицательного — «+». Например, для металлов главных подгрупп типичны степени окисления и заряды ионов, равные номеру группы со знаком «+». В большинстве случаев валентность и степень окисления атомов в одном и том же соединении численно совпадают. Только при взаимодействии с более электроотрицательными атомами степень окисления положительная, с элементами, у которых ЭО ниже, — отрицательная. Понятие «валентность» зачастую применяется только к веществам молекулярного строения.