Учебник по Химии. 7 класс. Григорович - Новая программа

§ 13. Валентность

Понятие о валентности

При образовании молекул атомы соединяются не беспорядочно, а в определенной последовательности особыми химическими связями. Каждый атом может образовать не бесконечное, а только определенное число таких связей. В XIX в. ученые установили, что атомы разных элементов имеют разную способность присоединять к себе другие атомы. Так, например, было подмечено, что атом Гидрогена может присоединить только один атом другого химического элемента (HCl, HF, NaH), атом Оксигена — два атома Гидрогена (Н₂O), атом Нитрогена — три атома Гидрогена (NH₃).

Это свойство атомов было названо валентностью.

Валентность — это число связей, которые данный атом может образовать с другими атомами.

Чтобы показать, как атомы соединены в молекуле, используют графические (структурные) формулы. Они показывают не только число атомов в молекуле, но и последовательность их соединения.

Графическая формула молекулы воды Н₂O имеет вид:

Из этой формулы видно, что в молекуле воды атом Оксигена соединен с двумя атомами Гидрогена, причем атомы Гидрогена друг с другом не связаны. Каждая связь в графической формуле обозначается черточкой. Атом Оксигена образует две связи, следовательно, валентность Оксигена равна двум (Оксиген двухвалентен), а атомы Гидрогена образуют по одной связи — валентность Гидрогена равна единице (Гидроген одновалентен).

Рассмотрим графическую формулу молекулы углекислого газа СO₂:

В молекуле углекислого газа атомы Оксигена образуют по две связи с атомом Карбона (такую связь называют двойной), а Карбон в этом случае образует четыре связи (или две двойные связи). В этом соединении валентность Карбона равна четырем.

Некоторые элементы проявляют постоянную валентность — во всех соединениях им присуще только одно определенное значение валентности. Так, Гидроген всегда одновалентен, а Оксиген всегда двухвалентен. Другие элементы могут проявлять различную валентность в разных соединениях. Например, валентность Сульфура может быть равна двум, четырем и шести. О таких элементах говорят, что они проявляют переменную валентность. Для обозначения валентности используют римские цифры.

Таблица 3. Валентность некоторых химических элементов

Элементы с постоянной валентностью	Элементы с переменной валентностью
Одновалентные: Н, К, Na, F, Li	Fe, Co — II, III Pb, Sn, С — II, IV
Двухвалентные: О, Ba, Cа, Mg, Zn, Be	Cu — І, II S — II, IV, VI
Трехвалентные: Аl, В	As, Р — III, V Cl, Br, I — I, III, V, VII

По известной валентности одного химического элемента можно определить валентность других элементов в соединении. Определим, например, валентность элементов в молекуле хлороводорода HCl. Атомы Гидрогена всегда одновалентны, следовательно, валентность атомов Хлора также равна единице, поскольку атом Хлора связан только с атомом Гидрогена и не может образовать с ним более одной связи. В молекуле аммиака NH₃ атом Нитрогена связан с тремя одновалентными атомами Гидрогена, следовательно, Нитроген трехвалентен, так как он образует три связи. Исходя из этого, можно изобразить графические формулы хлороводорода и аммониака:

В химических формулах валентность записывают над символом соответствующего элемента:

Валентность химических элементов можно определить по Периодической системе. Высшая (максимальная) валентность химического элемента в большинстве случаев равна номеру группы Периодической системы, в которой расположен данный элемент. Чтобы определить и другие возможные валентности, необходимо из значения высшей валентности вычесть 2, 4 или 6 (табл. 4).

Таблица 4. Определение валентности по Периодической системе*

Группа Периодической системы	I	II	III	IV	V	VI	VII
Высшая валентность	I	II	III	IV	V	VI	VII
Возможные валентности				II	III	II, IV	I, III, V

* Для короткого варианта Периодической системы.

Приведенный в таблице 4 принцип определения валентности с помощью Периодической системы не всегда точен. Из него есть исключения. Например, Оксиген (шестая группа) проявляет только валентность II, а для Феррума (восьмая группа) характерны валентности II и III. Однако для большинства элементов, с которыми вы будете сталкиваться в школьном курсе, этот принцип справедлив.

Определение валентности химических элементов по формулам бинарных соединений

Соединения, состоящие из двух химических элементов, называют бинарными. Для определения валентности элементов в бинарном соединении не обязательно составлять структурные формулы. Суммарное число связей атомов одного элемента в бинарном соединении всегда равно суммарному числу связей всех атомов другого элемента. Например, в молекуле углекислого газа СO₂ Карбон четырехвалентен (общее число связей равно 1 • IV = 4), а Оксиген двухвалентен (общее число связей равно 2 • II = 4). Для всех элементов в бинарном соединении произведение числа атомов на валентность будет одинаковым.

Для определения валентности в бинарных соединениях можно использовать следующий алгоритм:

Составление формулы бинарного соединения по валентности элементов

Зная значения валентностей элементов, можно составить формулу бинарного соединения. Составим, например, формулу соединения, которое состоит из атомов шестивалентного Сульфура — S(VI) и двухвалентного Оксигена — O(II). Каждый атом Оксигена образует только две связи, поэтому для образования шести связей с атомом Сульфура понадобится три атома Оксигена. Таким образом, формула этого соединения — SO₃, а его графическая формула:

Составляя химические формулы, необходимо учитывать порядок написания символов элементов в формуле. На первом месте в химической формуле записывается символ того элемента, который в Периодической системе расположен левее или ниже. Так, если соединение состоит из атомов Нитрогена и Оксигена, то на первом месте записывается символ Нитрогена, а если соединение состоит из атомов Калия и Брома, то на первом месте — символ Калия.

Для составления формул бинарных соединений также можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Понятие валентности возникло более двухсот лет назад и сегодня вызывает множество нареканий от многих химиков. Так, по приведенным правилам сложно определить валентность элементов в простых веществах, а также в веществах немолекулярного строения. Например, в железе каждый атом Феррума окружен восемью соседними атомами. В поваренной соли — натрий хлориде — каждый ион Натрия взаимодействует с шестью ионами Хлора, а каждый ион Хлора — с шестью ионами Натрия (рис. 60б, с. 71). Вместе с тем Натрий и Хлор в этом соединении принято считать одновалентными. Понятие валентности имеет реальный смысл только в случае молекулярных веществ.

Лингвистическая задача

Во многих европейских языках слово «валентность» имеет множество однокоренных слов. Так, в испанском языке Valencia означает «цена». Французское слово valable и английское valid означают«способность» (соответственно, invalable и invalid — «неспособный»). Также есть слова value — «значение» и valeur — «стоимость». У древних римлян слово valentia означало «сила». Как вы считаете, что означает слово «валентность»?

Выводы:

1. Валентность равна числу связей, которые определенный атом может образовать с другими атомами. При составлении графических формул связи обозначают черточками.

2. Некоторые элементы проявляют постоянную валентность во всех соединениях: Гидроген всегда одновалентен, Оксиген — двухвалентен и т. д. Некоторые элементы проявляют переменную валентность, валентность таких элементов обязательно указывают в названиях соединений.

3. Для определения валентности по химической формуле или при составлении формул по валентности необходимо придерживаться принципа, что общее число связей всех атомов одного элемента в соединении равно общему числу связей всех атомов другого элемента.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение валентности.

2. Какие элементы проявляют постоянную валентность, а какие — переменную?

3. Рассмотрите алгоритм определения валентности элементов в бинарных соединениях на примере углекислого газа СO₂.

4. Рассмотрите алгоритм составления формул бинарных соединений по валентности элементов на примере сульфур(VІ) флуорида.

Задания для усвоения материала

1. Укажите ряд, в котором приведены символы элементов, способных проявлять валентность II: a) Fe, Cl, Р, S; б) Н, F, К, Na; в) Mg, Ва, Ca, О.

2. Модели молекул можно представлять по-разному: шаростержневые модели (рис. 69а) и шариковые (рис. 69б). Рассмотрите модели молекул, определите валентности всех химических элементов и составьте химические формулы приведенных соединений.

Рис. 69. Шаростержневые (а) и шариковые модели (б) некоторых молекул. Белыми шариками обозначены атомы Гидрогена, красными — Оксигена, зелеными — Хлора, черными — Карбона

Рис. 70. Структурные формулы молекул некоторых веществ

3. Определите валентность всех элементов по графическим формулам, изображенным на рисунке 70. Составьте химические формулы приведенных соединений.

4. Определите валентности элементов в следующих соединениях: а) Р₂O₅; б) H₂S; в) SnCl₄; г) РН₃; д) Mn₂0₇; е) Na₂O.

5. С помощью Периодической системы определите все возможные валентности, которые могут проявлять элементы: а) Кальций; б) Сульфур; в) Бром; г) Фосфор; д) Аргентум; е) Бор. У элементов с переменной валентностью обозначьте высшую и низшую валентности.

6. Составьте формулы соединений, образованных элементами: а) Н и Al(III); б) C(IV) и S(II); в) Pb(IV) и O; г) Br(I) и Zn(ll); д) C(IV) и F(l); е) O и Fe(ll); ж) Cl(IV) и O; з) Cu(I) и O; и) Cl(I) и Au(lll). В скобках указана валентность, которую проявляет элемент в данном соединении.

7. По рисунку 60а на с. 71, определите валентности атомов Силиция и Оксигена в кварце.

8. Составьте графические формулы соединений со следующими формулами: a) SO₃; б) S0₂; в) NO; г) H₂S.

9. Феррум в соединениях с Оксигеном может проявлять валентность II и III. Составьте формулы этих соединений и определите, в какой из них содержание Феррума больше (по массовой доле).

Интересно, что...

Первые высказывания о химической связи принадлежат Роберту Бойлю. Он представлял атомы в виде шариков, на поверхности которых есть крючки. Этими крючками атомы цепляются друг за друга, как колючие головки репейника. Наличием и числом крючков на поверхности атомов Бойль также объяснял кислый, горький или жгучий вкус некоторых веществ.