Понятие «валентность» формировалось в химии с начала XIX века. Английский ученый Э. Франкленд обратил внимание, что все элементы могут образовывать с атомами других элементов только определенное количество связей. Он назвал это «соединительной силой». Позже немецкий ученый Ф. А. Кекуле изучал метан и пришел к выводу, что один атом углерода может присоединить в нормальных условиях только четыре атома водорода.
Он назвал это основностью. Основность углерода равна четырем. То есть углерод может образовать четыре связи с другими элементами.
Дальнейшее развитие понятие получило в работах Д. И. Менделеева. Дмитрий Иванович развивал учение о периодическом изменении свойств простых веществ. Соединительную силу он определял как способность элемента присоединять определенное количество атомов другого элемента.
Определение по таблице Менделеева
Таблица Менделеева позволяет с легкостью определять основность элементов. Для этого нужно уметь читать периодическую таблицу . Таблица по вертикали имеет восемь групп, а по горизонтали располагаются периоды. Если период состоит из двух рядов, то его называют большим, а если из одной - малым. Элементы по вертикали в столбцах, в группах распределены неравномерно. Валентность всегда обозначается римскими цифрами.
Чтобы определить валентность, нужно знать, какая она бывает. У металлов главных подгрупп она всегда постоянная, а у неметаллов и металлов побочных подгрупп может быть переменной.
Постоянная равна номеру группы. Переменная может быть высшей и низшей. Высшая переменная равна номеру группы, а низкая высчитывается по формуле: восемь минус номер группы. При определении нужно помнить:
- у водорода она равна I;
- у кислорода - II.
Если соединение имеет атом водорода или кислорода, то определить его валентность не составляет труда, особенно если перед нами гидрид или оксид.
Формула и алгоритм
Самая меньшая валентность у тех элементов, которые расположены правее и выше в таблице. И, наоборот, если элемент ниже и левее, то она будет выше. Чтобы определить ее, необходимо следовать универсальному алгоритму:
Пример: возьмем соединение аммиака - NH3. Нам известно, что у атома водорода валентность постоянная и равна I. Умножаем I на 3 (количество атомов) - наименьшее кратное - 3. У азота в этой формуле индекс равен единице. Отсюда вывод: 3 делим на 1 и получаем, что у азота она равна IIII.
Величину по водороду и кислороду всегда определять легко. Сложнее, когда ее необходимо определять без них. Например, соединение SiCl4 . Как определить валентность элементов в этом случае? Хлор находится в 7 группе. Значит, его валентность либо 7, либо 1 (восемь минус номер группы). Кремний находится в четвертой группе, значит, его потенциал для образования связей равен четырем. Становится логично, что хлор проявляет в этой ситуации наименьшую валентность и она равна I.
В современных учебниках химии всегда есть таблица валентности химических элементов. Это существенно облегчает задачу учащимся. Тему изучают в восьмом классе - в курсе неорганической химии.
Современные представления
Современные представления о валентности
базируются на строении атомов. Атом состоит из ядра и вращающихся на орбиталях электронах.
Само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые определяют атомный вес. Для того чтобы вещество было стабильным, его энергетические уровни должны быть заполнены и иметь восемь электронов.
При взаимодействии элементы стремятся к стабильности и либо отдают свои неспаренные электроны, либо принимают их. Взаимодействие происходит по принципу «что легче» - отдать или принять электроны. От этого также зависит то, как изменяется валентность в таблице Менделеева. Количество неспаренных электронов на внешней энергетической орбитали равно номеру группы.
В качестве примера
Щелочной металл натрий находится в первой группе периодической системы Менделеева. Это значит, что у него один неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне. Хлор находится в седьмой группе. Это значит, что у хлора есть семь неспаренных электронов. Для завершения энергетического уровня хлору не хватает ровно одного электрона. Натрий отдает ему свой электрон и становится стабильным в соединении. Хлор же получает дополнительный электрон и тоже становится стабильным. В итоге появляется связь и прочное соединение - NaCl - знаменитая поваренная соль. Валентность хлора и натрия в этом случае будет равна 1.
Одного химического элемента присоединять или замещать определённое количество атомов другого.
За единицу валентности принята валентность атома водорода , равная 1, то есть водород одновалентен. Поэтому валентность элемента указывает на то, со сколькими атомами водорода соединён один атом рассматриваемого элемента. Например, HCl , где хлор - одновалентен; H 2O , где кислород - двухвалентен; NH 3 , где азот - трёхвалентен.
Таблица элементов с постоянной валентностью.
Формулы веществ можно составлять по валентностям входящих в них элементов. И наоборот, зная валентности элементов, можно составить из них химическую формулу.
Алгоритм составления формул веществ по валентности.
1. Записать символы элементов.
2. Определить валентности входящих в формулу элементов.
3. Найти наименьшее общее кратное численных значений валентности.
4. Найти соотношения между атомами элементов путём деления найденного наименьшего общего кратного на соответствующие валентности элементов.
5. Записать индексы элементов в химической формуле.
Пример: составим химическую формулу оксида фосфора.
1. Запишем символы:
2. Определим валентности:
4. Найдём соотношения между атомами:
5. Запишем индексы:
Алгоритм определения валентности по формулам химических элементов.
1. Записать формулу химического соединения.
2. Обозначить известную валентность элементов.
3. Найти наименьшее общее кратное валентности и индекса.
4. Найти соотношение наименьшего общего кратного к количеству атомов второго элемента. Это и есть искомая валентность.
5. Сделать проверку путём перемножения валентности и индекса каждого элемента. Их произведения должны быть равны.
Пример: определим валентность элементов сульфида водорода.
1. Запишем формулу:
H 2 S
2. Обозначим известную валентность:
H 2 S
3. Найдём наименьшее общее кратное:
H 2 S
4. Найдём соотношение наименьшего общего кратного к количеству атомов серы :
H 2 S
5. Сделаем проверку.
Различные химические элементы отличаются по своей способности создавать химические связи, то есть соединяться с другими атомами. Поэтому в сложных веществах они могут находиться только в определенных соотношениях. Разберемся, как определить валентность по таблице Менделеева.
Существует такое определение валентности: это способность атома к образованию определенного числа химических связей. В отличие от , эта величина всегда только положительная и обозначается римскими цифрами.
В качестве единицы используется эта характеристика для водорода, которая принята равной I. Это свойство показывает, с каким числом одновалентных атомов может соединиться данный элемент. Для кислорода эта величина всегда равна II.
Знать эту характеристику необходимо, чтобы верно записывать химические формулы веществ и уравнения . Знание этой величины поможет установить соотношение между числом атомов различных типов в молекуле.
Данное понятие возникло в химии в XIX веке. Начало теории, объясняющей соединение атомов в различных соотношениях, положил Франкленд, но его идеи о «связывающей силе» не были очень распространены. Решающая роль в развитии теории принадлежала Кекуле. Он называл свойство образовывать некоторое количество связей основностью. Кекуле считал, что это фундаментальное и неизменное свойство каждого вида атомов. Важные дополнения к теории сделал Бутлеров. С развитием этой теории стало возможным наглядно изображать молекулы. Это очень помогло в изучении строения различных веществ.
Чем поможет периодическая таблица?
Находить валентность можно, посмотрев на номер группы в короткопериодном варианте. Для большинства элементов, у которых эта характеристика постоянная (принимает только одно значение), она совпадает с номером группы.
Такие свойства имеют главных подгрупп. Почему? Номер группы соответствует числу электронов на внешней оболочке. Эти электроны называются валентными. Именно они отвечают за возможность соединяться с другими атомами.
Группу составляют элементы с похожим устройством электронной оболочки, а сверху вниз возрастает заряд ядра. В короткопериодной форме каждая группа делится на главную и побочную подгруппы. Представители главных подгрупп - это s и p-элементы, представители побочных подгрупп имеют электроны на d и f-орбиталях.
Как определить валентность химических элементов, если она меняется? Она может совпадать с номером группы или равняться номеру группы минус восемь, а также принимать другие значения.
Важно! Чем выше и правее элемент, тем его свойство образовывать взаимосвязи меньше. Чем он более смещен вниз и влево, тем она больше.
То, как изменяется валентность в таблице Менделеева для конкретного вида атома, зависит от структуры его электронной оболочки. Сера, например, может быть двух-, четырех- и шестивалентной.
В основном (невозбужденном) состоянии у серы два неспаренных электрона находятся на подуровне 3р. В таком состоянии она может соединиться с двумя атомами водорода и образовать сероводород. Если сера перейдет в более возбужденное состояние, то один электрон перейдет на свободный 3d-подуровень, и неспаренных электронов станет 4.
Сера станет четырехвалентной. Если сообщить ей еще больше энергии, то еще один электрон перейдет с подуровня 3s на 3d. Сера перейдет в еще более возбужденное состояние и станет шестивалентной.
Постоянная и переменная
Иногда способность к образованию химических связей может меняться. Она зависит от того, в какое соединение входит элемент. Например, сера в составе H2S двухвалентна, в составе SO2 — четырехвалентна, а в SO3 - шестивалентна. Наибольшее из этих значений называется высшим, а наименьшая - низшим. Высшую и низшую валентности по таблице Менделеева можно установить так: высшая совпадает с номером группы, а низшая равняется 8 минус номер группы.
Как определить валентность химических элементов и то, изменяется ли она? Нужно установить, имеем мы дело с металлом или неметаллом. Если это металл, нужно установить, относится он к главной или побочной подгруппе.
- У металлов главных подгрупп способность к образованию химических взаимосвязей постоянная.
- У металлов побочных подгрупп - переменная.
- У неметаллов - также переменная. В большинстве случаев она принимает два значения - высшее и низшее, но иногда может быть и большее число вариантов. Примеры - сера, хлор, бром, йод, хром и другие.
В соединениях низшую валентность проявляет тот элемент, который находится выше и правее в периодической таблице, соответственно, высшую - тот, который левее и ниже.
Часто способность образовывать химические связи принимает больше двух значений. Тогда по таблице узнать их не получится, а нужно будет выучить. Примеры таких веществ:
- углерод;
- сера;
- хлор;
- бром.
Как определить валентность элемента в формуле соединения? Если она известна для других составляющих вещества, это несложно. Например, требуется рассчитать это свойство для хлора в NaCl. Натрий - элемент главной подгруппы первой группы, поэтому он одновалентен. Следовательно, хлор в этом веществе тоже может создать только одну связь и тоже одновалентен.
Важно! Однако так не всегда можно узнать это свойство для всех атомов в сложном веществе. Для примера возьмем HClO4. Зная свойства водорода, можно только установить, что ClO4 - одновалентный остаток.
Как еще узнать эту величину?
Способность образовывать определенное количество связей не всегда совпадает с номером группы, и в некоторых случаях ее придется просто заучить . Здесь на помощь придет таблица валентности химических элементов, где приведены значения этой величины. В учебнике химии за 8 класс приведены значения способности соединяться с другими атомами наиболее распространенных видов атомов.
| Н, F, Li, Na, K | 1 |
| O, Mg, Ca, Ba, Sr, Zn | 2 |
| B, Al | 3 |
| C, Si | 4 |
| Cu | 1, 2 |
| Fe | 2, 3 |
| Cr | 2, 3, 6 |
| S | 2, 4, 6 |
| N | 3, 4 |
| P | 3, 5 |
| Sn, Pb | 2, 4 |
| Cl, Br, I | 1, 3, 5, 7 |
Применение
Стоит сказать, что ученые-химики в настоящее время понятие валентности по таблице Менделеева почти не используют. Вместо него для способности вещества образовывать определенное число взаимосвязей применяют понятие степени окисления, для веществ с структурой - ковалентность, а для веществ ионного строения - заряд иона.
Однако рассматриваемое понятие применяют в методических целях. С его помощью легко объяснить, почему атомы разных видов соединяются в тех соотношениях, которые мы наблюдаем, и почему эти соотношения для разных соединений различны.
На данный момент подход, согласно которому соединение элементов в новые вещества всегда объяснялось с помощью валентности по таблице Менделеева независимо от типа связи в соединении, устарел. Сейчас мы знаем, что для ионной, ковалентной, металлической связей существуют разные механизмы объединения атомов в молекулы.
Полезное видео
Подведем итоги
По таблице Менделеева определить способность к образованию химических связей возможно не для всех элементов. Для тех, которые проявляют одну валентность по таблице Менделеева, она в большинстве случаев равна номеру группы. Если есть два варианта этой величины, то она может быть равна номеру группы или восемь минус номер группы. Существуют также специальные таблицы, по которым можно узнать эту характеристику.
Рассматривая формулы различных соединений, нетрудно заметить, что число атомов одного и того же элемента в молекулах различных веществ не одинаково. Например, HCl, NH 4 Cl, H 2 S, H 3 PO 4 и т.д. Число атомов водорода в этих соединениях изменяется от 1 до 4. Это характерно не только для водорода.
Как же угадать, какой индекс поставить рядом с обозначением химического элемента? Как составляются формулы вещества? Это легко сделать, когда знаешь валентность элементов, входящих в состав молекулы данного вещества.
– это свойство атома данного элемента присоединять, удерживать или замещать в химических реакциях определённое количество атомов другого элемента. За единицу валентности принята валентность атома водорода. Поэтому иногда определение валентности формулируют так: валентность – это свойство атома данного элемента присоединять или замещать определённое количество атомов водорода.
Если к одному атому данного элемента прикрепляется один атом водорода, то элемент одновалентен, если два – двухвалентен и т.д. Водородные соединения известны не для всех элементов, но почти все элементы образуют соединения с кислородом О. Кислород считается постоянно двухвалентным.
Постоянная валентность:
I –
H, Na, Li, K, Rb, Cs
II –
O, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd
III –
B, Al, Ga, In
Но как поступить в том случае, если элемент не соединяется с водородом? Тогда валентность необходимого элемента определяют по валентности известного элемента. Чаще всего её находят, используя валентность кислорода, потому что в соединениях его валентность всегда равно 2. Например, не составит труда найти валентность элементов в следующих соединениях: Na 2 O (валентность Na – 1, O – 2), Al 2 O 3 (валентность Al – 3, O – 2).
Химическую формулу данного вещества можно составить, только зная валентность элементов. Например, составить формулы таких соединений, как CaO, BaO, CO, просто, потому что число атомов в молекулах одинаково, так как валентности элементов равны.
А если валентности разные? Когда мы действуем в таком случае? Необходимо запомнить следующее правило: в формуле любого химического соединения произведение валентности одного элемента на число его атомов в молекуле равно произведению валентности на число атомов другого элемента. Например, если известно, что валентность Mn в соединении равна 7, а O – 2, тогда формула соединения будет выглядеть так Mn 2 O 7.
Как же мы получили формулу?
Рассмотрим алгоритм составления формул по валентности для состоящих из двух химических элементов.
Существует правило, что число валентностей у одного химического элемента равно числу валентностей у другого
. Рассмотрим на примере образования молекулы, состоящей из марганца и кислорода.
Будем составлять в соответствии с алгоритмом:
1. Записываем рядом символы химических элементов:
2.
Ставим над химическими элементами цифрами их валентности (валентность химического элемента можно найти в таблице периодической системы Менделева, у марганца –
7, у кислорода –
2.
3. Находим наименьшее общее кратное (наименьшее число, которое делится без остатка на 7 и на 2). Это число 14. Делим его на валентности элементов 14: 7 = 2, 14: 2 = 7, 2 и 7 будут индексами, соответственно у фосфора и кислорода. Подставляем индексы.
Зная валентность одного химического элемента, следуя правилу: валентность одного элемента × число его атомов в молекуле = валентность другого элемента × число атомов этого (другого) элемента, можно определить валентность другого.
Mn 2 O 7 (7 · 2 = 2 · 7).
Понятие о валентности было введено в химию до того, как стало известно строение атома. Сейчас установлено, что это свойство элемента связано с числом внешних электронов. Для многих элементов максимальная валентность вытекает из положения этих элементов в периодической системе.
Остались вопросы? Хотите знать больше о валентности?
Чтобы получить помощь репетитора – .
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Первый камень преткновения изучающих химию. Большой ошибкой является подход, когда учащийся не пытается понять валентность, ожидая, что знания об этом потом приложатся сами собой. Но этот подход неверный, так как без понимания этого мы упираемся в тупик неспособности составить даже простейшую формулу.
Что такое «валентность» элементов?
Валентность - слово взятое учеными из латинского языка, что в переводе значит сила и возможность. Конечно, название неслучайно и может нам очень помочь в понимании сути термина. Ведь валентность характеризует атом с точки зрения его способности образовывать связи с другими атомами. Говоря иначе, валентность можно рассматривать, как возможность атома образовывать связи, благодаря которым появляются молекулы.
Обозначают валентность элемента всегда только римскими цифрами. Посмотреть ее значение для разных атомов можно в специальной таблице.
Какие бывают характеристики у валентности элементов?
Все вещества, которые обладают валентностью, характеризуются тем, что она у них или постоянна (во всех связях), либо переменная. Постоянная валентность - характеристика очень небольшой группы веществ (водорода, фтора, натрия, калия, кислорода и др. Намного больше в мире атомов, которые обладают переменной валентностью. В разных реакциях, взаимодействуя с разными атомами, они становятся разновалентными. Например, азот в соединении NH3 имеет валентность - III, так как связан с тремя атомами, а в природе он бывает с валентность от одного до четырех. Еще раз повторю, что разная валентность - более распространенное явление.
Влияние валентности элементов в химических реакциях.
Даже того как ученые узнали, что атом — это не мельчайшая частица в мире, они уже оперировали этим понятием. Они понимали, что есть внутренний фактор, который влияет на протекание химической реакции различных веществ. Из-за того, что ученые по-разному видели строение молекулы, понятие «валентность элемента » пережило несколько метаморфоз.
Валентность вещества определяется количеством внешних электронов атома. Каким количеством электронов атом обладает, столько максимально соединений он способен совершить. Таким образом «валентность» подразумевает собою число электронных пар атомов.
Хотя электронная теория появилась намного позже, после «разделения» атома на более мелкие частицы, до этого ученые все равно вполне успешно определяли валентность в большинстве случаев. Удавалось им это благодаря химическому анализу веществ.
Это была тяжелая работа: прежде всего, требовалось определить массу элемента в чистом виде. Далее, с помощью химического анализа, ученые определяли каков состав соединения, и только потом могли высчитать, сколько атомов содержит в себе молекула вещества.
Этот метод все еще используется, но не является универсальным. Так удобно определять элемент в простом соединении веществ. Например, с одновалентным водородом, или двухвалентным кислородом.
Но уже при работе с кислотами метод не особо удачный. Нет, мы можем частично использовать его, например, при определении валентности соединений кислотных остатков.
Выглядит это так: используя знание, что валентность кислорода всегда равна двум, мы можем с легкостью высчитать валентность всего кислотного остатка. Например, в H 2 SO 3 валентность SO 3 - I, в HСlO 3 валентность СlO 3 - I.
Валентность элементов в формулах.
Как мы уже говорили выше, понятие «валентность элементов » связанно с электронной структурой атома. Но это не единственный вид связи, которые существуют в природе. Химики знакомы еще с ионными, кристаллическими и другими формами структуры вещества. Для таких структур валентность уже не столь актуальна, но вот работая с формулами молекулярных реакций, мы обязательно должны ее учитывать.
Для того, чтоб сделать формулу мы должны расставить все индексы, которые уравновешивают количество атомов, вступающие в реакцию. Только зная валентность веществ, мы можем правильно расставить индексы. И наоборот, зная молекулярную формулу и имея индексы, можно узнать валентность элементов, что входят в состав вещества.
Для произведения подобных расчетов важно помнить, что валентности обоих элементов, вступивших в реакцию, будут равны, а значит, для поиска необходимо найти наименьшее общее кратное.
Например, возьмем, оксид железа. В химической связи у нас участвуют железо и кислород. В данной реакции у железа валентность равна III, а кислорода - II. Путем легких вычислений определяем, что наименьшее общее кратное - 6. А значит формула имеет вид Fe 2 O 3 .
Необычные способы определения валентности элементов.
Есть и более нестандартные, но интересные способы определения валентности вещества. Если хорошо знать свойства элемента, то определить валентность можно даже визуально. Например, медь. Ее оксиды будут красными и черными, а гидроксиды - желтыми и синими.
Наглядность.
Для того, чтоб валентность элемента была более понятна рекомендуют писать структурные формулы . Создавая их, мы пишем условные обозначения атомов, а потом рисуем черточки, опираясь на валентность. Там каждая черточка обозначает связи каждого из элементов и получается очень наглядно.