Как определить валентность серы. Определяем валентность химических элементов

Цели урока.

Дидактические:

опираясь на знания учащихся, повторить понятия “химическая формула”;
способствовать формированию у учащихся понятия “валентность” и умению определять валентность атомов элементов по формулам веществ;
акцентировать внимание школьников на возможности интеграции курсов химии, математики.

Развивающие:

продолжить формирование умений формулировать определения;
разъяснять смысл изученных понятий и объяснять последовательность действий при определении валентности по формуле вещества;
способствовать обогащению словарного запаса, развитию эмоций, творческих способностей;
развивать умение выделять главное, существенное, сравнивать, обобщать, развивать дикцию, речь.

Воспитательные:

воспитывать чувство товарищества, умение работать коллективно;
повысить уровень эстетического воспитания учащихся;
ориентировать учащихся на здоровый образ жизни.

Планируемые результаты обучения:

Учащиеся должны уметь формулировать определение “валентность”, знать валентность атомов водорода и кислорода в соединениях, определять по ней валентность атомов других элементов в бинарных соединениях,
Уметь разъяснять смысл понятия “валентность” и последовательность действий при определении валентности атомов элементов по формулам веществ.

Понятия, впервые вводимые на уроке: валентность, постоянная и переменная валентность.

Организационные формы: беседа, индивидуальные задания, самостоятельная работа.

Средства обучения: алгоритм определения валентности.

Демонстрационное оборудование: шаростержневые модели молекул хлороводорода, воды, аммиака, метана.

Оборудование для учащихся: на каждом столе “Алгоритм определения валентности”.

Опережающее задание: индивидуальное задание – подготовить сообщение на тему “Эволюция понятия “валентность”.

Ход урока

I. Ориентировочно-мотивационный этап.

1. Фронтальная беседа с учащимися по пройденной теме “Химическая формула”.

Задание: Что здесь написано? (Демонстрация учителем формул, отпечатанных на отдельных листах).

2. Индивидуальная работа по карточкам трёх учащихся по теме “Относительная молекулярная масса”. (Выполняют решение на доске). Проверка учителем.

Карточка № 1. Рассчитайте относительную молекулярную массу данных веществ: NaCl, K 2 O.

Справочные данные:

Аr (Na) = 23
Аr (Cl) = 35,5
Аr (K) = 39
Аr (O) = 16

Карточка № 2. Рассчитайте относительную молекулярную массу данных веществ: CuO, SO 2 .

Справочные данные:

Аr (Cu) = 64
Аr (O) = 16
Аr (S) =3 2

Карточка № 3. Рассчитайте относительную молекулярную массу данных веществ: CH 4 , NO.

Справочные данные:

Аr (С) = 12
Аr (H) = 1
Аr (N) = 14
Аr (O) = 16

3. Самостоятельная работа учащихся в тетрадях.

Задача информационно-вычислительного характера (условие записано в раздаточном материале).

Эффективность зубных паст в профилактике кариеса можно сравнить по содержанию в них активного фтора, способного взаимодействовать с зубной эмалью. Зубная паста “Crest” (производство США) содержит, как указано на упаковке, SnF 2 , а зубная паста “FM extra DENT” (производство Болгария) содержит NaF. Вычислите, какая из этих двух паст более сильнодействующее средство для профилактики кариеса.

Проверка: один учащийся устно читает решение.

II. Операционно-исполнительный этап.

1. Объяснение учителя. Постановка проблемы.

Понятие о валентности.

– До сих пор мы пользовались готовыми формулами, приведёнными в учебнике. Химические формулы можно вывести на основании данных о составе веществ. Но чаще всего при составлении химических формул учитываются закономерности, которым подчиняются элементы, соединяясь между собой.

Задание: сравните качественный и количественный состав в молекулах: HCl , H 2 O, NH 3 , CH 4 .

Беседа с учащимися:

– Что общего в составе молекул?

Предполагаемый ответ: Наличие атомов водорода.

– Чем они отличаются друг от друга?

Предполагаемый ответ:

HCl – один атом хлора удерживает один атом водорода,
H 2 O – один атом кислорода удерживает два атома водорода,
NH 3 – один атом азота удерживает три атома водорода,
CH 4 – один атом углерода удерживает четыре атома водорода.

Демонстрация шаростержневых моделей.

Проблема: Почему различные атомы удерживают различное количество атомов водорода?

(Выслушиваем варианты ответов учащихся).

Вывод: У атомов разная способность удерживать определённое количество других атомов в соединениях. Это и называется валентностью. Слово “валентность” происходит от лат. valentia – сила.

Запись в тетради:

Валентность – это свойство атомов удерживать определённое число других атомов в соединении.

Валентность обозначается римскими цифрами.

Записи на доске и в тетрадях:

I II
H 2 O

I III
H 3 N

I IV
H 4 C

Валентность атома водорода принята за единицу, а у кислорода – II.

2. Эволюция понятия “валентность” (сообщение учащегося).

– В начале XIX века Дж. Дальтоном был сформулирован закон кратных отношений, из которого следовало, что каждый атом одного элемента может соединяться с одним, двумя, тремя и т.д. атомами другого элемента (как, например, в рассмотренных нами соединениях атомов с водородом).

В середине XIX века, когда были определены точные относительные веса атомов (И.Я. Берцелиус и др.), стало ясно, что наибольшее число атомов, с которыми может соединяться данный атом, не превышает определённой величины, зависящей от его природы. Эта способность связывать или замещать определённое число других атомов и была названа Э.Франклендом в 1853 г. “валентность”.

Поскольку в то время для водорода не были известны соединения, где он был бы связан более чем с одним атомом любого другого элемента, атом водорода был выбран в качестве стандарта, обладающего валентностью, равной 1.

В конце 50-х гг. XIX вeка А.С. Купер и А.Кекуле постулировали принцип постоянной четырёхвалентности углерода в органических соединениях. Представления о валентности составили важную часть теории химического строения А.М. Бутлерова в 1861 г.

Периодический закон Д.И. Менделеева в 1869 г. вскрыл зависимость валентности элемента от его положения в периодической системе.

Вклад в эволюцию понятия “валентность” в разные годы внесли В.Коссель, А.Вернер, Г.Льюис.

Начиная с 30-х гг. XX века представления о природе и характере валентности постоянно расширялись и углублялись. Существенный прогресс был достигнут в 1927 г., когда В.Гейтлер и Ф.Лондон выполнили первый количественный квантово-химический расчёт молекулы водорода H 2 .

3. Определение валентности атомов элементов в соединениях.

Правило определения валентности: число единиц валентностей всех атомов одного элемента равно числу единиц валентности всех атомов другого элемента.

Алгоритм определения валентности.

Алгоритм определения валентности	Пример
1. Запишите формулу вещества.	H 2 S, Cu 2 O
2. Обозначьте известную валентность элемента	I H 2 S,
3. Найдите число единиц валентности атомов известного элемента, умножив валентность элемента на количество его атомов	2 I H 2 S	2 II Cu 2 O
4. Поделите число единиц валентности атомов на количество атомов другого элемента. Полученный ответ и является искомой валентностью	2 I II H 2 S	2 I II Cu 2 O
5. Сделайте проверку, то есть подсчитайте число единиц валентностей каждого элемента	I II H 2 S (2=2)	I II Cu 2 O (2=2)

4. Упражнение: определить валентность элементов в веществах (тренажёр : ученики цепочкой выходят к доске). Задание в раздаточном материале.

SiH 4 , CrO 3 , H 2 S, CO 2 , CO, SO 3 , SO 2 , Fe 2 O 3 , FeO, HCl, HBr, Cl 2 O 5 , Cl 2 O 7 , РН 3 , K 2 O, Al 2 O 3 , P 2 O 5 , NO 2 , N 2 O 5 , Cr 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , SiH 4 , Mn 2 O 7 , MnO, CuO, N 2 O 3 .

III. Оценочно-рефлексивный этап.

Первичная проверка усвоения знаний.

В течение трёх минут необходимо выполнить одно из трёх заданий по выбору. Выбирайте только то задание, с которым вы справитесь. Задание в раздаточном материале.

Репродуктивный уровень (“3”). Определите валентность атомов химических элементов по формулам соединений: NH 3 , Au 2 O 3 , SiH 4 , CuO.
Прикладной уровень (“4”). Из приведённого ряда выпишите только те формулы, в которых атомы металлов двухвалентны: MnO, Fe 2 O 3 , CrO 3 , CuO, K 2 O, СаH 2.
Творческий уровень (“5”). Найдите закономерность в последовательности формул: N 2 O, NO, N 2 O 3 и проставьте валентности над каждым элементом.

Проверка выборочная . Консультант из числа учащихся по готовому шаблону проверяет 4 тетради учащихся.

Работа над ошибками. Ответы на обратной стороне доски.

IV. Подведение итогов урока.

Беседа с учащимися:

Какую проблему мы поставили в начале урока?
К какому выводу мы пришли?
Дать определение “валентности”.
Чему равна валентность атома водорода? Кислорода?
Как определить валентность атома в соединении?

Оценка работы учащихся в целом и отдельных учащихся.

Домашнее задание: § 4, стр. 23–25, упр. на стр. 25.

– Благодарю за урок. До свидания.

Значения валентности по водороду и кислороду различаются. Например, сера в соединении H2S двухвалентна, а в формуле SO3 - шестивалентна. Углерод образует с кислородом монооксид CO и диоксид CO2. В первом соединении валентность C равна II, а во втором - IV. Такое же значение в метане CH4.- Читайте подробнее на FB.ru:

Большинство элементов проявляет не постоянную, а переменную валентность , например, фосфор, азот, сера. Поиски основных причин этого явления привели к возникновению теорий химическй связи, представлений о валентной оболочке электронов, молекулярных орбиталях. Существование разных значений одного и того же свойства получило объяснение с позиций строения атомов и молекул.

Постоянная валентность. Эволюция понятия "валентность". Последовательность действий при определении валентности атомов элементов в соединениях, составление формулы. Из этих сведений вытекает важное правило: максимальное значение валентности элемента совпадает с номером группы, в которой он находится1. Поскольку в периодической системе восемь групп, то значения валентности элементов могут быть от I до 8.

Согласно той теории валентности, которую выдвигал Кекуле, для углерода принималась одна постоянная валентность , тогда как поведение многих других элементов, как, впрочем, и самого углерода, очевидным образом противоречило понятию о постоянной валентности. Например, электроотрицательные элементы, такие, как хлор и сера, соединяются с кислородом в различных пропорциях элементы электроположительные, такие, как железо, дают несколько окислов. Логика требовали принять, что один и тот же элемент, смотря по обстоятельствам, может проявлять различные степени валентности. Как следствие из наблюдавшихся фактов и еще более из закона кратных отношений возникает понятие о многовалентности или переменной валентности. Все н<е, как заметил Эрлен-мейер следует полагать, что каждый элемент обладает максимальной валентностью , ему свойственной и. для него характерной, но которую он не всегда может проявить. Хотя на первый взгляд это предположение вполне приемлемо, не обошлось без серьезных возражений в самом деле, поскольку максимальная валентность есть характеристическое свойство атома, то соединения, в которых реализуется этот максимум, должны бы быть более устойчивыми. Максимальная валентность химического элемента – это число электронов во внешней электронной оболочке его атома. Понятие валентности тесно связано с Периодическим законом Менделеева. Если внимательно посмотреть на таблицу Менделеева, можно заметить: положение элемента в периодической системе и его валентность нерарывно связаны.

Валентность - II (минимальная ) Валентность – IV (высшая) Высшая (максимальная ) валентность в большинстве своем совпадает с номером группы химического элемента.

Схема образования химической связи: перекрывание внешних атомных орбиталей взаимодействующих атомов. Порядок связи. Простые и кратные связи. Би и пи- связи – разновидности неполярных и полярных химических связей.

Основные положения метода валентных связей. 1.Ковалентную химическую связь образуют два электрона с противоположными спинами, принадлежащие двум атомам. Например, при сближении двух атомов водорода происходит частичное перекрывание их электронных орбиталей и образуется общая пара электронов H× + × H = H: H

Ковалентная связь может быть образована и по донорно-акцепторному механизму. Механизм образования ковалентной связи за счёт электронной пары одного атома (донора) и другого атома (акцептора), предоставляющего для этой пары свободную орбиталь, называется донорно-акцепторным.

В качестве примера возьмём механизм образования иона аммония NH4+. В молекуле NH3 три поделённые электронные пары образуют три связи N- H, четвёртая пара внешних электронов является не поделённой, она может дать связь с ионом водорода, в результате получается ион аммония NH4+ . Ион NH4+ имеет четыре ковалентных связи, причем все четыре связи N-H равноценны, то есть электронная плотность равномерно распределена между ними.

2. При образовании ковалентной химической связи происходит перекрывание волновых функций электронов (электронных орбиталей), при этом связь будет тем прочнее, чем больше это перекрывание.

3. Ковалентная химическая связь располагается в том направлении, в котором возможность перекрывания волновых функций электронов, образующих связь будет наибольшей.

4. Валентность атома в нормальном (невозбужденном) состоянии определяется:

Числом неспаренных электронов, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов;

Наличием донорной способности (за счёт одной неподелённой электронной пары).

В возбужденном состоянии валентность атома определяется:

Числом неспаренных электронов;

Числом вакантных орбиталей, способных акцептировать электронные пары доноров.

Таким образом, валентность выражается небольшими целыми числами и не имеет знака. Мерой валентности является число химических связей, которыми данный атом соединён с другими.

К валентным относятся прежде всего электроны внешних уровней, но для элементов побочных подгрупп к ним относятся и электроны предпоследних (предвнешних) уровней.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Однако точное и позже полностью подтверждённое понимание феномена валентности было предложено в 1852 году химиком Эдуардом Франклендом в работе, в которой он собрал и переосмыслил все существовавшие на тот момент теории и предположения на этот счёт . Наблюдая способность к насыщению разных металлов и сравнивая состав органических производных металлов с составом неорганических соединений, Франкленд ввёл понятие о «соединительной силе » (соединительном весе ), положив этим основание учению о валентности. Хотя Франкленд и установил некоторые частные закономерности, его идеи не получили развития.
Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле . В 1857 г. он показал, что углерод является четырёхосновным (четырёхатомным) элементом, и его простейшим соединением является метан СН 4 . Уверенный в истинности своих представлений о валентности атомов, Кекуле ввёл их в свой учебник органической химии: основность, по мнению автора - фундаментальное свойство атома, свойство такое же постоянное и неизменяемое, как и атомный вес . В 1858 г. взгляды, почти совпадающие с идеями Кекуле, высказал в статье «О новой химической теории » Арчибальд Скотт Купер .
Уже три года спустя, в сентябре 1861 г. А. М. Бутлеров внёс в теорию валентности важнейшие дополнения. Он провёл чёткое различие между свободным атомом и атомом, вступившим в соединение с другим, когда его сродство «связывается и переходит в новую форму ». Бутлеров ввёл представление о полноте использования сил сродства и о «напряжении сродства », то есть энергетической неэквивалентности связей, которая обусловлена взаимным влиянием атомов в молекуле. В результате этого взаимного влияния атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное «химическое значение ». Теория Бутлерова позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности.

Огромным достоинством теории валентности явилась возможность наглядного изображения молекулы. В 1860-х гг. появились первые молекулярные модели . Уже в 1864 г. А. Браун предложил использовать структурные формулы в виде окружностей с помещёнными в них символами элементов, соединённых линиями, обозначающими химическую связь между атомами; количество линий соответствовало валентности атома. В 1865 г. А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары. В 1866 г. в учебнике Кекуле появились рисунки стереохимических моделей , в которых атом углерода имел тетраэдрическую конфигурацию.
Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента можно при этом выразить числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента. Определенная таким образом валентность называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: так, в соединениях HCl, H 2 O, NH 3 , CH 4 валентность по водороду хлора равна единице, кислорода – двум, азота – трём, углерода – четырём.
Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента. Определенная таким образом валентность называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K 2 O, CO, N 2 O 3 , SiO 2 , SO 3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трём, кремния – четырём, серы – шести.
У большинства элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H 2 S), а по кислороду шести (SO 3). Кроме того, большинство элементов проявляют в разных своих соединениях различную валентность [некоторые элементы могут не иметь ни гидридов, ни оксидов]. Наприм., углерод образует с кислородом два оксида: монооксид углерода CO и диоксид углерода CO 2 . В монооксиде углерода валентность углерода равна двум, а в диоксиде – четырём (некоторые элементы способны образовывать также пероксиды). Из рассмотренных примеров следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом и/или методом, как правило, нельзя.

Современные представления о валентности

С момента возникновения теории химической связи понятие «валентность» претерпело существенную эволюцию. В настоящее время оно не имеет строгого научного толкования, поэтому практически полностью вытеснено из научной лексики и используется, преимущественно, в методических целях.

В основном, под валентностью химических элементов обычно понимается способность свободных его атомов (в более узком смысле - мера его способности) к образованию определённого числа ковалентных связей . В соединениях с ковалентными связями валентность атомов определяется числом образовавшихся двухэлектронных двухцентровых связей. Именно такой подход принят в теории локализованных валентных связей , предложенной в 1927 году В. Гайтлером и Ф. Лондоном . Очевидно, что если в атоме имеется n неспаренных электронов и m неподелённых электронных пар , то этот атом может образовывать n + m ковалентных связей с другими атомами . При оценке максимальной валентности следует исходить из электронной конфигурации гипотетического, т. н. «возбуждённого» (валентного) состояния. Например, максимальная валентность атома бора, углерода и азота равна 4 (например, в − , CH 4 и +), фосфора - 5 (PCl 5), серы - 6 (H 2 SO 4), хлора - 7 (Cl 2 O 7).
Число связей, которые может образовывать атом, равно числу его неспаренных электронов , идущих на образование общих электронных пар (молекулярных двухэлектронных облаков). Ковалентная связь может образовываться также по донорно-акцепторному механизму . При этом в обоих случаях не учитывается полярность образовавшихся связей , а потому валентность не имеет знака - она не может быть ни положительной, ни отрицательной, в отличие от степени окисления (N 2 , NO 2 , NH 3 и +).

Кроме валентности по водороду и по кислороду, способность атомов данного элемента соединяться друг с другом или с атомами других элементов в ряде случаев можно выразить [часто и отождествить] иными способами: как, например, степень окисления элемента (условный заряд атома в предположении, что вещество состоит из ионов), ковалентность (число химических связей, образуемых атомом данного элемента, в том числе и с одноимённым элементом; см. ниже), координационное число атома (число атомов, непосредственно окружающих данный атом) и т. п. Эти характеристики могут быть близки и даже совпадать количественно, но ни коим образом не тождественны друг другу . Например, в изоэлектронных молекулах азота N 2 , монооксида углерода CO и цианид-ионе CN − реализуется тройная связь (то есть валентность каждого атома равна 3), однако степень окисления элементов равна, соответственно, 0, +2, −2, +2 и −3. В молекуле этана (см. рис.) углерод четырёхвалентен, как и в большинстве органических соединений, тогда как степень окисления равна −3.
Особенно это справедливо для молекул с делокализованными химическими связями, например в азотной кислоте степень окисления азота равна +5, тогда как азот не может иметь валентность выше 4. Известное из многих школьных учебников правило - «Максимальная валентность элемента численно равна номеру группы в Периодической таблице» - относится исключительно к степени окисления. Понятия «постоянной валентности» и «переменной валентности» также преимущественно относятся к степени окисления.
Ковалентность элемента (мера валентных возможностей элементов; ёмкость насыщения) определяется общим числом неспаренных электронов [валентных электронных пар ] как в нормальном, так и в возбуждённом состоянии атома, или, иначе говоря, число образуемых атомом ковалентных связей (углерод 2s 2 2p 2 II-ковалентен, а в возбуждённом состоянии C* 2s 1 2p 3 - IV-ковалентный; таким образом в CO и CO 2 валентность составляет II или IV, а ковалентность - II и /или IV). Так, ковалентность азота в молекулах N 2 , NH 3 , Al≡N и цианамиде Ca=N-C≡N равна трём, ковалентность кислорода в молекулах H 2 O и CO 2 - двум, ковалентность углерода в молекулах CH 4 , CO 2 и кристалле (алмаза) - четырём.
В классическом и/или пост-квантовохимическом представлении по электронным спектрам поглощения двухатомных молекул можно определять число оптических (валентных) электронов при данной энергии возбуждения . Согласно этому методу, обратная величина тангенса угла наклона корреляционной прямой/прямых (при релевантных значениях молекулярных электронных термов, которые образованы относительными суммами атомных) соответствует числу пар валентных электронов, то есть валентности в её классическом понимании .
Между валентностью [стехиометрической] в данном соединении, мольной массой его атомов и его эквивалентной массой существует простое соотношение, непосредственно вытекающее из атомной теории и определения понятия «эквивалентная масса ».CO - валентность , так как большинство неорганических веществ имеет немолекулярное строение, а органических - молекулярное. Нельзя отождествлять эти два понятия, даже если они численно совпадают. Широко применяется также термин «валентные электроны », то есть наиболее слабо связанные с ядром атома, чаще всего внешние электроны.
По валентности элементов можно составлять истинные формулы соединений, и, наоборот, исходя из истинных формул можно определять валентности элементов в данных соединениях . При этом необходимо придерживаться принципа, согласно которому произведение валентности одного элемента на число его атомов равно произведению валентности второго элемента на число его атомов . Так, чтобы составить формулу оксида азота (III), следует записать сверху над символом валентности элементов N I I I {\displaystyle {\stackrel {III}{\mbox{N}}}} O I I {\displaystyle {\stackrel {II}{\mbox{O}}}} . Определив наименьший общий знаменатель и разделив его на соответствующие валентности, получим атомное соотношение азота к кислороду, а именно 2: 3. Следовательно, формула оксида азота (III) соответствует N + 3 2 O − 2 3 {\displaystyle {\stackrel {+3}{\mbox{N}}}_{2}{\stackrel {-2}{\mbox{O}}}_{3}} . Для определения валентности поступают таким же образом наоборот.

Химическая формула отражает состав (структуру) химического соединения или простого вещества. Например, Н 2 О - два атома водорода соединены с атомом кислорода. Химические формулы содержат также некоторые сведения о структуре вещества: например, Fe(OH) 3 , Al 2 (SO 4) 3 - в этих формулах указаны некоторые устойчивые группировки (ОН, SO 4), которые входят в состав вещества - его молекулы, формульной или структурной единицы (ФЕ или СЕ).
Молекулярная формула указывает число атомов каждого элемента в молекуле. Молекулярная формула описывает только вещества с молекулярным строением (газы, жидкости и некоторые твердые вещества). Состав вещества с атомной или ионной структурой можно описать только символами формульных единиц.
Формульные единицы указывают простейшее соотношение между числом атомов разных элементов в веществе. Например, формульная единица бензола  СН, молекулярная формула  С 6 Н 6 .
Структурная (графическая) формула указывает порядок соединения атомов в молекуле (а также в ФЕ и СЕ) и число связей между атомами.
Рассмотрение таких формул привело к представлению о валентности (valentia - сила) - как о способности атома данного элемента присоединять к себе определенное число других атомов. Можно выделить три вида валентности: стехиометрическую (включая степень окисления), структурную и электронную.
Стехиометрическая валентность. Количественный подход к определению валентности оказался возможным после установления понятия «эквивалент» и его определения по закону эквивалентов. Основываясь на этих понятиях можно ввести представление о стехиометрической валентности - это число эквивалентов, которое может к себе присоединить данный атом, или - число эквивалентов в атоме. Эквиваленты определяются по количеству атомов водорода, то и V стх фактически означает число атомов водорода (или эквивалентных ему частиц), с которыми взаимодействует данный атом.
V стх = Z B или V стх = . (1.1)
Например, в SO 3 ( S= +6), Z B (S) равен 6 V стх (S) = 6.
Эквивалент водорода равен 1, поэтому для элементов в приведенных ниже соединениях Z B (Cl) = 1, Z B (О) =2, Z B (N) = 3, а Z B (C) = 4. Численное значение стехиометрической валентности принято обозначать римскими цифрами:
I I I II III I IV I
HCl, H 2 O, NН 3 , CH 4 .
В тех случаях, когда элемент не соединяется с водородом, валентность искомого элемента определяется по элементу, валентность которого известна. Чаще всего ее находят по кислороду, поскольку валентность его в соединениях обычно равна двум. Например, в соединениях:
II II III II IV II
CaO Al 2 O 3 CО 2 .
При определении стехиометрической валентности элемента по формуле бинарного соединения следует помнить, что суммарная валентность всех атомов одного элемента должна быть равна суммарной валентности всех атомов другого элемента.
Зная валентность элементов, можно составить химическую формулу вещества. При составлении химических формул можно соблюдать следующий порядок действий:
1. Пишут рядом химические символы элементов, которые входят в состав соединения: KO AlCl AlO ;
2. Над символами химических элементов проставляют их валентность:
I II III I III II
3. Используя выше сформулированное правило, определяют наименьшее общее кратное чисел, выражающих стехиометрическую валентность обоих элементов (2, 3 и 6, соответственно).
I II III I III II
K 2 O AlCl 3 Al 2 O 3 .
Пример 1. Составить формулу оксида хлора, зная, что хлор в нем семивалентен, а кислород - двухвалентен.
Решение. Находим наименьшее кратное чисел 2 и 7 - оно равно 14. Разделив наименьшее общее кратное на стехиометрическую валентность соответствующего элемента, находим индексы: для атомов хлора 14/7 = 2, для атомов кислорода 14/2 = 7.
Формула оксида -Cl 2 O 7 .
Степень окисления также характеризует состав вещества и равна стехиометрической валентности со знаком "плюс" (для металла или более электроположительного элемента в молекуле) или “минус”.
 = ±V стх. (1.2)
w определяется через V стх, следовательно через эквивалент, и это означает, что w(Н) = ±1; далее опытным путем могут быть найдены w всех других элементов в различных соединениях. В частности, важно, что ряд элементов имеют всегда или почти всегда постоянные степени окисления.
Полезно помнить следующие правила определения степеней окисления.
1. w(Н) = ±1 (. w = +1 в Н 2 О, НCl; . w = –1 в NaH, CaH 2);
2. F (фтор) во всех соединениях имеет w = –1, остальные галогены с металлами, водородом и другими более электроположительными элементами тоже имеют w = –1.
3. Кислород в обычных соединения имеет. w = –2 (исключения – пероксид водорода и его производные – Н 2 О 2 или BaO 2 , в которых кислород имеет степень окисления –1, а также фторид кислорода OF 2 , степень окисления кислорода в котором равна +2).
4. Щелочные (Li – Fr) и щелочно-земельные (Ca - Ra) металлы всегда имеют степень окисления, равную номеру группы, то есть +1 и +2, соответственно;
5. Al, Ga, In, Sc, Y, La и лантаноиды (кроме Се) – w = +3.
6. Высшая степень окисления элемента равна номеру группы периодической системы, а низшая = (№ группы - 8). Например, высшая w (S) = +6 в SO 3 , низшая w = -2 в Н 2 S.
7. Степени окисления простых веществ приняты равными нулю.
8. Степени окисления ионов равны их зарядам.
9. Степени окисления элементов в соединении компенсируют друг друга так, что их сумма для всех атомов в молекуле или нейтральной формульной единице равна нулю, а для иона - его заряду. Это можно использовать для определения неизвестной степени окисления по известным и составления формулы многоэлементных соединений.
Пример 2. Определить степень окисления хрома в солиK 2 CrO 4 и в ионеCr 2 O 7 2 - .
Решение. Принимаемw(К) = +1;w(О) =-2. Для структурной единицыK 2 CrO 4 имеем:
2 . (+1) + Х + 4 . (-2) = 0, отсюда Х =w(Сr) = +6.
Для иона Cr 2 O 7 2 - имеем: 2 . Х + 7 . (-2) =-2, Х =w(Cr) = +6.
То есть степень окисления хрома в обоих случаях одинакова.
Пример 3. Определить степень окисления фосфора в соединенияхP 2 O 3 иPH 3 .
Решение. В соединенииP 2 O 3 w(О) =-2. Исходя из того, что алгебраическая сумма степеней окисления молекулы должна быть равной нулю, находим степень окисления фосфора: 2 . Х + 3 . (-2) = 0, отсюда Х =w(Р) = +3.
В соединении PH 3 w(Н) = +1, отсюда Х + 3.(+1) = 0. Х =w(Р) =-3.
Пример 4. Напишите формулы оксидов, которые можно получить при термическом разложении перечисленных ниже гидроксидов:
H 2 SiO 3 ; Fe(OH) 3 ; H 3 AsO 4 ; H 2 WO 4 ; Cu(OH) 2 .
Решение. H 2 SiO 3 -определим степень окисления кремния:w(Н) = +1,w(О) =-2, отсюда: 2 . (+1) + Х + 3 . (-2) = 0.w(Si) = Х = +4. Составляем формулу оксида-SiO 2 .
Fe(OH) 3 -заряд гидроксогруппы равен-1, следовательноw(Fe) = +3 и формула соответствующего оксидаFe 2 O 3 .
H 3 AsO 4 -степень окисления мышьяка в кислоте: 3 . (+1) +X+ 4 . (-2) = 0.X=w(As) = +5. Таким образом, формула оксида-As 2 O 5 .
H 2 WO 4 -w(W) в кислоте равна +6, таким образом формула соответствующего оксида-WO 3 .
Cu(OH) 2 -так как имеется две гидроксогруппы, заряд которой равен-1, следовательноw(Cu) = +2 и формула оксида -CuO.
Большинство элементов имеют по несколько степеней окисления.
Рассмотрим, как с помощью таблицы Д.И. Менделеева можно определить основные степени окисления элементов.
Устойчивые степени окисления элементов главных подгрупп можно определять по следующим правилам:
1. У элементов I-III групп существуют единственные степени окисления - положительные и равные по величине номерам групп (кроме таллия, имеющего w = +1 и +3).
У элементов IV-VI групп, кроме положительной степени окисления, соответствующей номеру группы, и отрицательной, равной разности между числом 8 и номером группы, существуют еще промежуточные степени окисления, обычно отличающиеся между собой на 2 единицы. Для IV группы степени окисления, соответственно, равны +4, +2, -2, -4; для элементов V группы соответственно -3, -1 +3 +5; и для VI группы - +6, +4, -2.
3. У элементов VII группы существуют все степени окисления от +7 до -1, различающиеся на две единицы, т.е. +7,+5, +3, +1 и -1. В группе галогенов выделяется фтор, который не имеет положительных степеней окисления и в соединениях с другими элементами существует только в одной степени окисления -1. (Имеется несколько соединений галогенов с четными степенями окисления: ClO, ClO 2 и др.)
У элементов побочных подгрупп нет простой связи между устойчивыми степенями окисления и номером группы. У некоторых элементов побочных подгрупп устойчивые степени окисления следует просто запомнить. К таким элементам относятся:
Cr (+3 и +6), Mn (+7, +6, +4 и +2), Fe, Co и Ni (+3 и +2), Cu (+2 и +1), Ag (+1), Au (+3 и +1), Zn и Cd (+2), Hg (+2 и +1).
Для составления формул трех- и многоэлементных соединений по степеням окисления необходимо знать степени окисления всех элементов. При этом количество атомов элементов в формуле определяется из условия равенства суммы степеней окисления всех атомов заряду формульной единицы (молекулы, иона). Например, если известно, что в незаряженной формульной единице имеются атомы K, Cr и О со степенями окисления равными +1, +6 и -2 соответственно, то этому условию будут удовлетворять формулы K 2 CrO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , K 2 Cr 3 O 10 и многие другие; аналогично этому иону с зарядом -2, содержащему Cr +6 и O - 2 будут соответствовать формулы CrO 4 2 - , Cr 2 O 7 2 - , Cr 3 O 10 2 - , Cr 4 O 13 2 - и т.д.
3. Электронная валентность V ‑ число химических связей, образуемых данным атомом.
Например, в молекуле H 2 O 2 Н ¾ О
V стх (O) = 1, V к. ч.(O) = 2, V .(O) = 2
То есть, имеются химические соединения, в которых стехиометрическая и электронная валентности не совпадают; к ним, например, относятся и комплексные соединения.
Координационная и электронная валентности более подробно рассматриваются в темах “Химическая связь” и “Комплексные соединения”.

Понятие валентность происходит от латинского слова «valentia» и было известно еще в середине XIX века. Первое «пространное» упоминание валентности было еще в работах Дж. Дальтона, который утверждал, что все вещества состоят из атомов, соединенных между собой в определенных пропорциях. Затем, Франкланд ввел само понятие валентности, которое нашло дальнейшее развитие в трудах Кекуле, который говорил о взаимосвязи валентности и химической связи, А.М. Бутлерова, который в своей теории строения органических соединений связывал валентность с реакционной способностью того или иного химического соединения и Д.И. Менделеева (в Периодической системе химических элементов высшая валентность элемента определяется номером группы).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Валентность – это количество ковалентных связей, которое способен образовывать атом в соединении с ковалентной связью.
Валентность элемента определяется числом неспаренных электронов атоме, поскольку они принимают участие в образовании химической связи между атомами в молекулах соединений.

Основное состояние атома (состояние с минимальной энергией) характеризуется электронной конфигурацией атома, которая соответствует положению элемента в Периодической системе. Возбужденное состояние – это новое энергетическое состояние атома, с новым распределением электронов в пределах валентного уровня.

Электронные конфигурации электронов в атоме можно изобразить не только в виде электронных формул, но и с помощью электронно-графических формул (энергетических, квантовых ячеек). Каждая ячейка обозначает орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки (вверх или вниз) показывает спин электрона, свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении. Если в ячейке 2 электрона, такие электроны называются спаренными, если электрон 1 – неспаренный. Например:

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Орбитали заполняют следующим образом: сначала по одному электрону с одинаковыми спинами, а затем по второму электрону с противоположными спинами. Поскольку на 2p подуровне три орбитали с одинаковой энергией, то каждый из двух электронов занял по одной орбитали. Одна орбиталь осталась свободной.

Определение валентности элемента по электронно-графическим формулам

Валентность элемента можно определить по электронно-графическим формулам электронных конфигураций электронов в атоме. Рассмотрим два атома – азота и фосфора.

7 N 1s 2 2s 2 2p 3

Т.к. валентность элемента определяется числом неспаренных электронов, следовательно, валентность азота равна III. Поскольку у атома азота нет свободных орбиталей, для этого элемента невозможно возбужденное состояние. Однако III, не максимальная валентность азота, максимальная валентность азота V и определяется номером группы. Поэтому, следует запомнить, что с помощью электронно-графических формул не всегда можно определить высшую валентность, а также все валентности, характерные для этого элемента.

15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

В основном состоянии атом фосфора имеет 3 неспаренных электрона, следовательно, валентность фосфора равна III. Однако, в атоме фосфора имеются свободные d-орбитали, поэтому электроны, находящиеся на 2s – подуровне способны распариваться и занимать вакантные орбитали d-подуровня, т.е. переходить в возбужденное состояние.

Теперь атом фосфора имеет 5 неспаренных электронов, следовательно для фосфора характерна и валентность, равная V.

Элементы, имеющие несколько значений валентности

Элементы IVA – VIIA групп могут иметь несколько значений валентности, причем, как правило, валентность изменяется ступенчато на 2 единицы. Такое явление обусловлено тем, что в образовании химической связи электроны участвуют попарно.

В отличие от элементов главных подгрупп, элементы В-подгрупп, в большинстве соединений не проявляют высшую валентность, равную номеру группы, например, медь и золото. В целом, переходные элементы проявляют большое разнообразие химических свойств, которое объясняется большим набором валентностей.

Рассмотрим электронно-графические формулы элементов и установим, в связи с чем элементы имеют разные валентности (рис.1).

Задания: определите валентные возможности атомов As и Cl в основном и возбужденном состояниях.