Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 3. Валентність і ступені окиснення елементів

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • обґрунтувати значення валентності елементів;
  • пригадати, який стан атома називають збудженим;
  • прогнозувати можливі значення валентності елементів;
  • визначати ступені окиснення елементів у речовинах.

Валентність елементів. Ви знаєте, що валентність елемента визначається кількістю спільних електронних пар (ковалентних зв’язків), які утворює його атом з іншими атомами за рахунок неспарених електронів.

В атомі Гідрогену є лише один електрон (1s1), який бере участь в утворенні хімічного зв’язку. Тому цей елемент в усіх речовинах одновалентний:

Флуор — теж одновалентний елемент, а Оксиген — двовалентний. Атом Флуору має на зовнішньому енергетичному рівні один неспарений електрон, а атом Оксигену — два:

Отже, кількість неспарених електронів в атомі вказує на можливе значення валентності елемента.

Електронна будова атомів деяких елементів може змінюватися. Однією з умов для цього є наявність в атомі на останньому1 енергетичному рівні вільних орбіталей. При отриманні атомом певної порції енергії пара зовнішніх електронів роз’єднується і один із них переміщується в нову орбіталь. Атом переходить з основного стану в так званий збуджений стан (його позначають зірочкою справа від символу елемента). При збудженні атома кількість неспарених електронів зростає, і в нього виникає можливість утворювати більшу кількість ковалентних зв’язків. Із таким явищем ви ознайомилися раніше на прикладі атома Карбону:

Наявність у збудженого атома Карбону чотирьох неспарених електронів зумовлює те, що цей елемент майже в усіх речовинах чотиривалентний.

1 Для d-елементів — на передостанньому.

Збуджені стани існують для атомів інших неметалічних елементів — Бору, Силіцію, Фосфору, Сульфуру, Хлору тощо. Якщо для атомів перших трьох елементів можливий один такий стан, то для атомів Сульфуру і Хлору — два і три стани відповідно.

Проілюструйте збудження атома Бору відповідними електронними формулами.

При збудженні атома Силіцію один 3s-електрон переходить у вільну 3р-орбіталь, а внаслідок збудження атома Фосфору такий електрон займає 3d-орбіталь:

Силіцій, як і Карбон, майже в усіх речовинах чотиривалентний (його збуджений атом містить чотири неспарених електрони). Значення валентності Фосфору — 3 (атом елемента в основному стані має три неспарених електрони) і 5 (збуджений атом містить п’ять неспарених електронів). Приклади відповідних сполук Фосфору — фосфін РН3, ортофосфатна кислота Н3РО4.

Збудження атомів Сульфуру і Хлору супроводжується роз’єднанням електронних пар у 3s- і 3р-орбіталях та переміщенням електрона з кожної пари у вільну 3d-орбіталь. Схема цих процесів для атома Сульфуру:

Приклади сполук дво-, чотири- і шестивалентного Сульфуру — сірководень H2S, сульфур(ІV) оксид SO2, сульфатна кислота H2SO4.

Збуджені стани для атомів Нітрогену, Оксигену і Флуору неможливі, оскільки всі орбіталі 2-го (зовнішнього) енергетичного рівня цих атомів заповнені одним чи двома електронами.

Інформацію про валентність неметалічних елементів 2-го і 3-го періодів узагальнено в таблиці 1.

Таблиця 1

Значення валентності неметалічних елементів 2—3-го періодів1

Періоди

Групи

III

IV

V

VI

VII

2

В

3

C

4

N

3*

O

2

F

1

3

Si

4

Р

3, 5

S

2, 4, 6

Сl

1, 3, 5, 7

* Максимальне значення валентності 4 Нітроген виявляє в йоні амонію (§ 6).

1 У цій і наступних таблицях відомості про елементи і речовини розміщено у клітинках періодичної системи.

Ступені окиснення елементів. Ступінь окиснення — важлива характеристика елемента в речовині. Її використовують у класифікації речовин, для прогнозування можливості окисно-відновних реакцій, при складанні відповідних хімічних рівнянь.

Який ступінь окиснення має елемент у простій речовині?

Вам відомо, що ступені окиснення елементів у бінарній йонній сполуці дорівнюють зарядам їхніх йонів. Так, у літій хлориді й алюміній сульфіді ступені окиснення елементів становлять +1, -1 та +3, -2 відповідно:

У речовинах молекулярної та атомної будови реалізуються ковалентні зв’язки між атомами. Для того щоб з’ясувати значення ступенів окиснення елементів у таких речовинах, електронні пари ковалентних полярних зв’язків переміщують до більш електронегативних атомів і визначають заряди, які після цього виникають (за потреби використовують таблицю електронегативності елементів, наведену в Додатку 1):

У сполуках, утворених трьома або більшою кількістю елементів, ступені окиснення елементів часто визначають, за правилом електронейтральності: сума ступенів окиснення всіх атомів у речовині дорівнює нулю. Приклади формул сполук із указаними ступенями окиснення елементів:

Визначте ступені окиснення елементів у сполуках із такими формулами: Li3N, SCl2, НСlО4.

Завдяки переходу атомів у збуджені стани розширюються валентні можливості елементів і водночас збільшується кількість можливих ступенів окиснення елементів у сполуках (табл. 2).

Значення ступенів окиснення елементів указують у назвах речовин (римськими цифрами без знаків «плюс» або «мінус»):

Таблиця 2

Характерні значення ступенів окиснення елементів 2—3-го періодів у сполуках

Періоди

Групи

І

II

III

IV

V

VI

VII

2

Li

+1

Be

+2

B

-3, +3

C

-4, +4

N

-3, +3, +5*

O

-2

F

-1

3

Na

+1

Mg

+2

Al

+3

Si

-4, +4

P

-3, +3, +5

S

-2, +4, +6

Cl

-1, +1, +3, +5, +7

* Ступінь окиснення Нітрогену +5 визначають за хімічними формулами відповідних сполук, а не за зміщенням спільних електронних пар атомів.

Поняття «валентність» і «ступінь окиснення». Важливо розрізняти поняття «валентність» і «ступінь окиснення». Валентність визначається кількістю ковалентних зв’язків, які утворює атом, а ступінь окиснення є умовним зарядом на атомі, що виникає, якщо повністю змістити електронні пари ковалентних полярних зв’язків до більш електронегативного атома (атомів).

Значення валентності й ступеня окиснення елемента (без урахування знака «плюс» чи «мінус») у сполуці часто збігаються. Наприклад, значення валентності й ступінь окиснення Карбону в оксиді СО2 становлять 4 і +4, Сульфуру в сполуці H2S — 2 і -2. Відомі випадки, коли числові значення цих характеристик елемента в речовині різняться. Це стосується простих речовин, деяких сполук. Так, у хлорі Сl2 елемент Хлор є одновалентним (його атом утворює простий ковалентний зв’язок з іншим атомом: Cl—Сl), а ступінь окиснення елемента дорівнює нулю. У гідроген пероксиді Н2О2 Гідроген одновалентний, Оксиген двовалентний (графічна формула молекули Н—О—О—Н), а ступені окиснення Гідрогену і Оксигену становлять +1 і -1 відповідно.

Аналіз відомостей, наведених у таблицях 1 і 2, свідчить, що при переході від одного періоду до іншого значення валентності й ступенів окиснення елементів головної підгрупи певної групи в більшості випадків повторюються. Ця тенденція поширюється і на хімічні елементи побічних підгруп.

ВИСНОВКИ

Кількість неспарених електронів в атомі вказує на можливе значення валентності елемента. При збудженні атома кількість таких електронів збільшується за рахунок роз’єднання електронних пар. Цей процес відбувається при поглинанні атомом енергії та за наявності на останньому енергетичному рівні вільної орбіталі, в яку переходить електрон з електронної пари.

Завдяки збудженню атомів розширюються валентні можливості елементів та інтервал значень їх ступенів окиснення.

Значення валентності й ступенів окиснення елементів зі зростанням зарядів ядер атомів періодично повторюються.

  • 23. У переліку Н, С, N, F, Si укажіть елементи:

а) атоми яких перебувають лише в основному стані;

б) для атомів яких збуджений стан є характерним.

  • 24. Схема переходу атома Хлору в збуджені стани:

Сl → Сl* → Сl** → Сl***.

Запишіть скорочені електронні формули атома Хлору в кожному стані й зобразіть графічні варіанти цих формул.

  • 25. Укажіть формули молекул, які утворює атом Хлору в збудженому стані: Сl2О, SCl4, НСlO3, Cl2, Сl2О7, ClF3.
  • 26. Чому в таблицях 1 і 2 відсутні елементи VIII групи Неон і Аргон?
  • 27. Які значення валентності та ступені окиснення має Карбон у метані, етані, етені та етині?
  • 28. Укажіть правильне закінчення речення «У простій речовині нульове значення...»:

а) мають валентність і ступінь окиснення елемента;

б) має лише валентність елемента;

в) має лише ступінь окиснення елемента.

  • 29. Визначте ступені окиснення Фосфору в сполуках із формулами Са3Р2, РВr5, НРO3.
  • 30. Берилій і Магній — елементи, ступінь окиснення яких у сполуках постійний і однаковий (який саме?). Обґрунтуйте таку їхню властивість.