"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Валентность показывает, сколько химических связей образует атом с другими атомами. Она помогает разбирать строение молекул и составлять формулы соединений. Число связей связано с неспаренными электронами внешнего уровня, но не всегда определяется только их количеством в основном состоянии. У некоторых элементов возможны разные валентности: это зависит от строения атома и способности переходить в возбуждённое состояние. Валентность не следует путать со степенью окисления — условным зарядом атома.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей; её определяют по числу связей атома в веществе. Например, если атом связан с двумя другими атомами двумя связями, его валентность равна II. Это понятие помогает описать строение соединения и понять, как атомы соединяются между собой.
Валентные возможности атома — набор значений валентности, которые атом элемента может проявлять в разных соединениях. У одного элемента в разных веществах могут быть разные валентности. Зная эти возможности, можно объяснить, почему один и тот же элемент входит в состав соединений с различным строением.
Ковалентная связь возникает, когда атомы образуют общую электронную пару. Каждый атом предоставляет для неё электрон или участвует в образовании пары другим способом. Число таких связей показывает, сколько связей образует атом, поэтому ковалентная связь помогает понять смысл валентности.
Неспаренный электрон — электрон, который один занимает орбиталь и не имеет на ней пары. Он может объединиться в общую пару с электроном другого атома. Поэтому неспаренные электроны важны для объяснения образования ковалентных связей и возможной валентности атома.
В ковалентном соединении атомы удерживаются общими электронными парами. Чтобы такая пара образовалась, электроны двух атомов должны участвовать в совместном заполнении орбитали. Поэтому число неспаренных электронов на внешнем уровне часто показывает, сколько связей атом способен образовать. Например, наличие трёх неспаренных электронов у атома азота объясняет образование трёх связей во многих соединениях.
Однако число неспаренных электронов в основном состоянии не всегда исчерпывает валентные возможности элемента. Основное состояние — наиболее устойчивое распределение электронов по орбиталям при отсутствии дополнительного воздействия. Оно объясняет характерную валентность, но в некоторых случаях атом может изменить распределение электронов. Поэтому для описания всех известных соединений иногда нужно учитывать другие состояния атома.
При переходе в возбуждённое состояние атом получает энергию, и один из электронов может переместиться на свободную орбиталь. Возбуждённым называют состояние с таким изменённым распределением электронов. Если после перехода неспаренных электронов становится больше, атом может образовать больше связей. Так объясняют валентность углерода IV в CH₄: один электрон переходит на свободную орбиталь, и у атома появляются четыре неспаренных электрона.
Возможности возбуждения зависят от устройства внешнего электронного уровня. У атомов второго периода доступны только орбитали второго энергетического уровня, поэтому число орбиталей, которые могут участвовать в образовании связей, ограничивает их максимальную валентность. У элементов следующих периодов строение внешнего уровня и доступность орбиталей отличаются. Следовательно, нельзя переносить объяснение валентности одного элемента на все остальные.
Валентность и степень окисления описывают разные стороны строения вещества. Валентность характеризует число связей атома, а степень окисления — условный заряд, который приписывают атому, считая общие электроны полностью смещёнными к более электроотрицательному элементу. При подсчёте степени окисления учитывают состав вещества и условное распределение электронов, а не количество связей. Поэтому значения этих характеристик могут различаться, и отождествлять их нельзя.
| Элемент | Электронная конфигурация внешнего уровня | Неспаренные электроны в основном состоянии | Возможные валентности и объяснение |
|---|---|---|---|
| Углерод | 2s²2p² | 2 | II в основном состоянии; IV после возбуждения, когда появляются четыре неспаренных электрона |
| Азот | 2s²2p³ | 3 | Обычно III; IV в ионе аммония NH₄⁺ |
| Кислород | 2s²2p⁴ | 2 | Характерная валентность II |
| Фосфор | 3s²3p³ | 3 | III и V; для V учитывают переход в возбуждённое состояние |
| Сера | 3s²3p⁴ | 2 | II, IV и VI в рассматриваемых соединениях |
| Хлор | 3s²3p⁵ | 1 | I в основном состоянии; в соединениях возможны более высокие значения |
Сначала сравните конфигурацию внешнего уровня и число неспаренных электронов: так можно объяснить характерную валентность. Затем проверьте, требуется ли для соединения учитывать возбуждённое состояние или особый случай, например образование иона. Таблица показывает возможные значения, но конкретную валентность определяют по строению данного вещества.
В формуле H₂O один атом кислорода соединён с двумя атомами водорода. Чтобы определить валентности, нужно рассмотреть связи каждого атома, а не только индексы в формуле. Между кислородом и каждым водородом образуется ковалентная связь. Значит, кислород образует две связи, а каждый водород — одну.
Ответ: валентность кислорода — II, водорода — I. Индекс 2 у водорода сообщает, сколько атомов водорода входит в молекулу, но не означает, что валентность каждого атома водорода равна II.
В молекуле CH₄ атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода. Каждая связь C—H считается одной связью углерода, поэтому его валентность равна IV. Чтобы связать это с электронным строением, рассмотрим внешний уровень углерода: 2s²2p². В основном состоянии в p-орбиталях находятся два неспаренных электрона, а возбуждение меняет их распределение.
Ответ: в CH₄ углерод четырёхвалентен; в модели валентных возможностей это объясняют появлением четырёх неспаренных электронов при возбуждении атома.
В этих формулах сера соединена с разным числом атомов и проявляет разные валентные возможности. При подсчёте учитывают число связей, образованных атомом серы; кратную связь считают как две связи. Такой подсчёт даёт для H₂S валентность II, для SO₂ — IV, а для SO₃ — VI. Различие связано с электронным строением серы и возможностью образования большего числа связей в соединениях.
Ответ: валентности серы в H₂S, SO₂ и SO₃ соответственно II, IV и VI. Число атомов кислорода или водорода само по себе не заменяет подсчёта связей серы.
Ошибка — считать валентность и степень окисления одной величиной. Их путают, потому что обе характеристики относятся к атому в соединении, а численные значения иногда совпадают. Проверка: спросите себя, что именно вы определяете — число связей или условный заряд атома. Если речь о заряде, это степень окисления.
Ошибка — определять валентность только по числу атомов в формуле. Индекс показывает количество атомов элемента, но сам по себе не сообщает, сколько связей образует каждый атом. Чтобы не ошибиться, разберите состав и строение вещества и посчитайте связи у нужного атома.
Ошибка — считать, что число неспаренных электронов в основном состоянии задаёт все возможные валентности элемента. Такое упрощение удобно для характерной валентности, но не объясняет все соединения. Сверьте электронное строение с формулой и проверьте, возможно ли изменение распределения электронов.
Ошибка — предполагать, что любой атом может возбудиться и обязательно образовать больше связей. Возможность перехода зависит от доступных орбиталей и строения внешнего уровня. Проверяя объяснение, убедитесь, что у атома есть подходящая свободная орбиталь и что переход действительно согласуется с его электронным строением.
Для понимания валентности нужно знать строение атома: электронные оболочки и распределение электронов по орбиталям. Тема опирается на понятие ковалентной связи и общих электронных пар, поэтому полезно представлять, как атомы обобществляют электроны. Валентность применяют при составлении формул соединений и изучении строения молекул. Она помогает перейти от электронного устройства атомов к тому, как устроено вещество.
Что именно показывает валентность атома?
Валентность показывает число химических связей, которые образует атом с другими атомами в веществе. Например, в H₂O кислород соединён с двумя атомами водорода, поэтому его валентность равна II.
Почему у одного элемента могут быть разные валентности?
Валентность зависит от электронного строения атома и состояния его внешнего уровня. В некоторых случаях атом может перейти в возбуждённое состояние, в котором появляется больше неспаренных электронов и становится возможным образование большего числа связей.
Как неспаренные электроны связаны с образованием химических связей?
Неспаренный электрон не имеет пары на своей орбитали и может участвовать в образовании общей электронной пары с другим атомом. Такая пара лежит в основе ковалентной связи. Поэтому число неспаренных электронов помогает объяснить, сколько связей может образовать атом.
Почему атом углерода может образовывать четыре связи?
В основном состоянии у атома углерода два неспаренных электрона. При переходе в возбуждённое состояние один электрон может перейти на свободную орбиталь, и число неспаренных электронов увеличится до четырёх. Это объясняет образование четырёх связей, например в CH₄.
Чем валентность отличается от степени окисления?
Валентность характеризует число связей атома, а степень окисления — его условный заряд, который рассчитывают при допущении о полном переходе электронов к более электроотрицательному атому. Поэтому эти величины описывают разные свойства и не всегда совпадают численно.
§ 6. Валентность и валентные возможности атомов
