Как определить валентность химических элементов на примерах

Валентность - важная характеристика химических элементов, позволяющая предсказывать их поведение при образовании соединений. В этой статье вы узнаете, что такое валентность, как ее определить и для чего это нужно.

История открытия валентности

Понятие валентности появилось в химии в XIX веке. Основоположниками учения о валентности считаются английский химик Э. Франкленд, немецкий ученый Ф.А. Кекуле и российский химик А.М. Бутлеров.

В 1852 году Франкленд ввел термин "атомнаяиту", который в дальнейшем трансформировался в современное понятие "валентность". А в 1857 году Кекуле при исследовании строения молекулы метана CH4 пришел к выводу о существовании "валентности" как важнейшей характеристики химических элементов.

Открытие валентности позволило установить закономерности в изменении свойств элементов в Периодической системе и спрогнозировать возможность образования химических соединений.

В 1860 году А.М. Бутлеров на основе идей о валентности смог объяснить особенности строения и свойств органических соединений, что имело огромное значение для развития органической химии.

Определение валентности

Итак, что же такое валентность? Валентность - это способность атома химического элемента присоединять к себе определенное число других атомов. Количественной мерой валентности является число химических связей, которые может образовать данный атом с другими атомами.

Химические связи образуются за счет электронов внешнего энергетического уровня атомов. Чем больше у атома валентных электронов, тем выше его валентность.

Рассмотрим в качестве примера молекулу хлороводорода HCl. Атом хлора образует одну химическую связь с атомом водорода. Значит, валентность хлора в HCl равна одному.

В молекуле воды H₂O кислород соединяется с двумя атомами водорода. Следовательно, валентность кислорода равна двум.

Таким образом, зная валентность, можно определить, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы.

Виды валентности

Различают элементы с постоянной и переменной валентностью. У элементов с постоянной валентностью она не зависит от того, с какими атомами образуется химическая связь. К таким элементам относятся щелочные металлы (валентность I), кислород (II), галогены (I), магний и бериллий (II).

Большинство элементов проявляют переменную валентность. У них различают высшую (максимальную), низшую и промежуточные валентности. Высшая валентность элементов главных подгрупп соответствует номеру группы в Периодической системе. Например, для кремния, расположенного в IV группе, высшая валентность равна 4.

Низшая валентность вычисляется по формуле: 8 - номер группы. Для кремния низшая валентность равна 4. Промежуточные валентности обычно являются четными числами между высшей и низшей.

Например, сера находится в VI группе, значит ее валентности: высшая - VI, низшая - II, промежуточная - IV. Таким образом, сера может проявлять валентности от II до VI в разных соединениях.

Зная валентность, можно определить состав и строение молекулы соединения. Рассмотрим в качестве примера фосфор P и кислород O. Высшая валентность фосфора равна V, кислорода - II. Тогда в оксиде фосфора (V) на один атом фосфора приходится пять атомов кислорода. Формула оксида - P₂O₅.

Таким образом, знание валентности позволяет не только предсказывать химические свойства элемента, но и составлять формулы соединений, о чем мы поговорим далее.

Способы определения валентности

Существует несколько способов определения валентности химических элементов:

1. По положению элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева. Как мы уже говорили, для элементов главных подгрупп валентность численно равна номеру группы.
2. По химической формуле соединения. Например, в соединении H2S валентность серы равна двум, так как один атом серы соединяется с двумя атомами водорода.
3. При взаимодействии элемента с водородом или кислородом. Так как валентность водорода и кислорода постоянна и равна соответственно I и II, по формуле соединения можно найти валентность второго элемента.
4. В бинарных соединениях с участием металлов и неметаллов. Неметаллы чаще проявляют низшую валентность. Например, в CaCl2 валентность хлора равна I.

Для определения валентности в сложных соединениях используют правило электронейтральности. Сумма валентностей всех атомов должна быть равна нулю. Например, в соединении H2SO4 сумма валентностей дает уравнение:

2 + X + 4(-2) = 0

Отсюда X = 6, то есть валентность серы в H2SO4 равна VI.

Зависимость свойств веществ от валентности

Валентность оказывает влияние на целый ряд важнейших свойств веществ:

• Тип химической связи в соединении. При высокой валентности образуются преимущественно ионные соединения. При низкой - ковалентные.
• Температуры плавления и кипения. Чем выше валентность, тем выше температуры.
• Растворимость веществ в воде и других растворителях.
• Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов.

Так, зная валентность элемента, можно делать обоснованные предсказания о свойствах образуемых им соединений.

Применение валентности на практике

Знания о валентности широко используются на практике:

• При написании химических формул по валентности элементов.
• Для объяснения закономерностей в изменении свойств элементов в Периодической системе.
• При прогнозировании возможности образования химических соединений.
• Для расчетов количества вещества при протекании реакций.

Таким образом, валентность - ключ к пониманию поведения элементов при взаимодействии с другими элементами, что крайне важно как в научных исследованиях, так и в промышленности.

Определение валентности на практике

Давайте теперь рассмотрим, как можно определить валентность в реальных условиях, проводя несложные эксперименты.

В лаборатории валентность определяют при взаимодействии элемента либо с водородом, либо с кислородом, либо с галогенами. Например, для определения валентности магния проводят реакцию:

Mg + Cl2 -> MgCl2

По формуле хлорида магния видно, что валентность магния равна двум. Определить валентность таким способом можно для большинства металлов.

Для неметаллов чаще применяют реакции окисления. К примеру, для определения валентности серы используют реакцию:

S + O2 -> SO2

По формуле оксида серы (IV) делаем вывод, что в данном соединении валентность серы равна четырем.

Трудности определения валентности

Несмотря на кажущуюся простоту, на практике определить валентность бывает не так легко. Рассмотрим некоторые трудности, с которыми можно столкнуться.

• Нестабильность или высокая активность соединений, образующихся в ходе реакции. Это затрудняет их выделение и исследование.
• Возможность проявления элементом разных валентностей в зависимости от условий.
• Образование смеси соединений с разной валентностью данного элемента.
• Протекание побочных реакций, мешающих определению валентности.

Поэтому для получения надежных результатов эксперимент по определению валентности должен проводиться в строго контролируемых условиях.

Правила безопасности

Работа с химическими веществами требует строгого соблюдения правил безопасности. При определении валентности в лаборатории необходимо:

• Использовать вытяжной шкаф.
• Надевать халат, перчатки, защитные очки.
• Избегать вдыхания паров и пыли.
• Проводить опыты только с теми количествами веществ, которые указаны в инструкции.
• Соблюдать правила обращения с лабораторной посудой и оборудованием.

Строгое соблюдение правил безопасности позволит избежать вредных воздействий на организм и провести эксперименты максимально эффективно.

Рекомендации по определению валентности

Чтобы правильно определить валентность элемента в лаборатории, дадим несколько рекомендаций:

1. Выбирать оптимальные условия реакции, исходя из свойств данного элемента.
2. Проводить реакцию с избытком одного из реагентов для полноты протекания.
3. Выделять и очищать продукт реакции для точного определения его состава.
4. При необходимости использовать дополнительные методы анализа (спектроскопия, хроматография).
5. Повторять опыт несколько раз для проверки воспроизводимости результатов.

Следуя этим рекомендациям, можно с высокой точностью экспериментально установить валентность любого химического элемента.

Валентность в неорганической и органической химии

Понятие валентности широко применяется как в неорганической, так и в органической химии. Однако есть некоторые особенности.

В неорганической химии валентность чаще постоянна и соответствует положению элемента в Периодической системе. В органических соединениях атом углерода и некоторых других элементов может образовывать разное число связей в зависимости от условий реакции и природы реагентов. Поэтому понятие валентности здесь менее жестко.

Тем не менее, знание валентных возможностей элементов позволяет объяснить механизмы органических реакций и спрогнозировать свойства получаемых веществ.