Валентность - фундаментальная характеристика химических элементов. От нее зависят свойства веществ, возможность протекания химических реакций. Зная валентность фосфора, можно предсказать его поведение и спрогнозировать получение соединений с нужными свойствами.
Понятие валентности в химии
Валентность - это способность атома химического элемента присоединять к себе определенное число других атомов. Численно валентность выражается количеством химических связей, которые образует один атом данного элемента с атомами других элементов.
Изначально за единицу валентности принимали валентность водорода. Тогда валентность другого элемента выражали числом атомов водорода, которые он может заместить или к которым может присоединиться.
Различают следующие типы валентности:
- Постоянная валентность - элемент проявляет только одну валентность во всех соединениях
- Переменная валентность - элемент может проявлять разные валентности
Знание валентности важно для понимания и прогнозирования свойств химических элементов и образуемых ими соединений. Например, фтор имеет валентность I и всегда образует одну связь с другими атомами. А у серы валентность может быть II, IV или VI.
Как определить валентность химического элемента
Существует несколько способов определения валентности:
- По положению элемента в
периодической таблицеМенделеева - По формулам соединений, в которых элемент участвует
- С помощью
электронной теориистроения атомов
Для элементов главных подгрупп валентность чаще всего совпадает с номером группы. Например, для натрия из 1 группы характерна валентность +I, для магния из 2 группы - +II и т.д.
Анализируя формулы соединений, можно определить число связей, образованных атомом данного элемента с другими атомами. В бинарных соединениях валентность элемента равна числу атомов второго элемента, с которым он соединяется.
Валентность фосфора и особенности этого элемента
Фосфор находится в VA группе, 3 периоде. В нормальном состоянии его атом имеет 5 валентных электронов. Поэтому фосфор проявляет валентность +III и +V, то есть способен образовывать 3 или 5 ковалентных связей с другими атомами.
Формулы некоторых соединений фосфора:
- H3PO3 - фосфорная кислота (валентность +III)
- Ca3(PO4)2 - фосфат кальция (валентность +V)
| Возможная валентность фосфора | +III | +V |
| Число валентных электронов | 3 | 5 |
Причиной переменной валентности фосфора является способность его атома переходить в возбужденное состояние. При этом один 3s электрон переходит на 3d подуровень, и атом приобретает 5 валентных электронов.
Знание валентности позволяет прогнозировать формулы соединений, в которых может участвовать фосфор, а также свойства этих соединений.
Прогнозирование формул и свойств соединений фосфора
Зная валентность фосфора, можно теоретически предсказать формулы возможных соединений, в которых он может участвовать:
- С водородом: PH3, P2H4, P3H5 (валентность +III)
- С кислородом: P2O3, P2O5 (валентность +III и +V)
- С хлором: PCl3, PCl5 (валентность +III и +V)
Также по валентности можно определить тип химической связи в соединениях и предположить некоторые свойства веществ. Например, PH3 - газообразное вещество, летучее и воспламеняющееся на воздухе.
Расчет количества веществ по известной валентности
Если известна масса или количество вещества одного из компонентов сложного соединения, а также валентность химических элементов, то можно рассчитать количество вещества других компонентов.
Например, для синтеза 3,5 г P2O5 (валентность фосфора +V) потребуется фосфора:
n(P) = 2 • n(P2O5)
Решая это уравнение, получаем, что нужно 0,62 г фосфора.
Анализ химических реакций с участием фосфора
Используя знания о валентности, можно понять механизм протекания химических реакций с участием фосфорсодержащих веществ.
Например, при взаимодействии фосфорной кислоты H3PO3 (валентность +III) и гидроксида натрия NaOH происходит обмен атомами натрия и водорода с образованием соли:
H3PO3 + 3NaOH = Na3PO3 + 3H2O
Получение фосфорсодержащих удобрений, пестицидов и добавок
Многие важные соединения фосфора используются человеком на практике. Зная основные свойства и "валентность химических элементов ее определение использование", можно оптимизировать их производство.
Например, фосфорные удобрения часто получают обработкой фосфоритов азотной кислотой с получением гидроортофосфата аммония NH4H2PO4.
Также на основе соединений пятивалентного фосфора изготавливают пестициды и пищевые добавки с нужными свойствами.
Элементы 1-3 периодов периодической системы
Для элементов первых трех периодов валентность в основном совпадает с номером группы, в которой элемент расположен в периодической таблице.
Так, валентность лития и натрия равна +I, магния и кальция - +II, алюминия - +III. У бора валентность +III, а у кремния +IV.
Исключением являются элементы второй группы IV и V периодов, для которых характерна переменная валентность от +II до +IV.
Какие возможные валентности могут быть у фосфора"
Фосфор расположен в пятой группе, 3 период. Его атом может иметь 3 или 5 валентных электронов. Поэтому для фосфора характерна валентность +III или +V.
В зависимости от условий и второго элемента, с которым фосфор вступает в реакцию, он проявляет валентность +III или +V при образовании химических соединений.
Металлы
У большинства металлов валентность положительная и постоянная, соответствует заряду катиона элемента. Например, для натрия валентность +I, для железа +II или +III.
Исключением являются металлы побочных подгрупп (медь, цинк, ртуть), у которых возможны несколько степеней окисления.
Неметаллы
Большинство неметаллов имеют отрицательную валентность, равную заряду образуемых ими анионов. Например, для хлора -I, кислорода -II.
Однако неметаллы могут также образовывать ковалентные соединения, где их валентность положительная. Так, в NH3 азот имеет валентность +III.
Переходные элементы
У переходных металлов валентность не постоянная, а переменная в пределах от +I до +VII. Это связано с заполнением электронами d-орбиталей.
Например, для марганца возможны валентности от +II до +VII, а у хрома - от +II до +VI.
Элементы с постоянной валентностью
Некоторые химические элементы проявляют только одну валентность во всех соединениях. К таким элементам относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий и др.), галогены (фтор, хлор, бром и др.), а также инертные газы (гелий, неон, аргон и др.).
Например, фтор всегда имеет валентность -I, аргон - 0. Это связано с особенностями заполнения их электронных оболочек.
Валентность в комплексных соединениях
При образовании комплексных соединений проявляется так называемая комплексная валентность - сумма ковалентных и ионных связей, которые образует центральный атом со лигандами.
Например, в комплексе [Co(NH3)6]Cl3 валентность кобальта равна +3 (ионная связь с хлором) + 6 (ковалентные связи с аммиаком), то есть комплексная валентность кобальта = +III.
Отрицательная валентность
В редких случаях атом элемента может проявлять отрицательную валентность, то есть присоединять к себе дополнительные электроны. Это характерно для сильных восстановителей (щелочные металлы).
Например, в соединениях с амидами и аминами натрий и калий могут иметь валентность -I.
Нестандартные валентности
Иногда элементы могут проявлять нестандартные, нехарактерные для них валентности. Это связано со значительным возбуждением или перестройкой электронных оболочек под воздействием реагентов.
К примеру, в фторидах инертных газов (XeF2) ксенон проявляет валентность +II, хотя обычно у него валентность 0.
Применение знаний о валентности на практике
Понимание валентности элементов, механизмов ее изменений позволяет управлять свойствами веществ, оптимизировать существующие и разрабатывать новые технологии в различных областях:
